Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur

Faculteit Bio-ingenieurswetenschappen Academiejaar 2014 – 2015

Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur

Pieter Van Bost Promotor: dr. ing. Wim Audenaert

Masterproef voorgedragen tot het behalen van de graad van Master in de industriële wetenschappen: chemie

Faculteit Bio-ingenieurswetenschappen Academiejaar 2014 – 2015


Pieter Van Bost Promotor: dr. ing. Wim Audenaert

Masterproef voorgedragen tot het behalen van de graad van Master in de industriële wetenschappen: chemie

1

Auteursrecht

De auteur, de promotoren en de tutor geven de toelating deze masterproef voor consultatie beschikbaar te stellen en delen ervan te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met de verplichting uitdrukkelijk de bron te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit deze masterproef.

Kortrijk, Juni 2015

De auteur, Pieter Van Bost

De promotor,

dr. ing. Wim Audenaert


Woord vooraf Met deze thesis sluit ik mijn opleiding als industrieel ingenieur chemie af. Deze laatste 2 jaren waarin ik het schakelprogramma en masterjaar doorliep, brachten mij veel nieuwe inzichten. Zo werd mijn abstract en wiskundig denken gestimuleerd en kon ik de kennis vanuit mijn vorige opleiding verder uitdiepen. Bij het maken van deze thesis leerde ik dat de diversiteit van chemie veel breder is dan ik mij eerst kon voorstellen. Zo was ik verrast door de complexiteit van natuurlijke organismen die in ons dagelijkse leven voorkomen. Dit werk was dan ook niet tot stand gekomen zonder de kennis en hulp van enkele mensen. Ik wil hierbij dan ook de kans aangrijpen, hen hiervoor te bedanken. Vooreerst wens ik mijn promotor: dr. ing. Wim Audenaert de bedanken voor de bemoedigende woorden en het geven van nuttige feedback doorheen het proces. Ook wens ik Prof. Dr. ir. Stijn Van Hulle te danken voor het overlezen en het helpen op punt stellen van dit werk. Mijn dank gaat ook uit Isabel Vandevelde en Joris Van Lommel van het Proefstation SintKatelijne-Waver voor het verzamelen van de gebruikte waterstalen en mij in contact te stellen met verscheidene hydrocultuur-bedrijven. Daarnaast wil ik ook de andere thesisstudenten bedanken voor de solidariteit en steun bij het vele labowerk en het uitwisselen van kennis. Tenslotte gaat er ook een grote dank u uit naar mijn familie en vriendin voor steun en toeverlaat bij het maken van dit werk.

II


Samenvatting Wortelexudaten is een verzamelnaam voor door de plant gesecreteerde en ge-excreteerde organische stoffen. Deze kunnen door autotoxiciteit de opbrengst in de groenteteelt nadelig beïnvloeden. In deze thesis worden analyses uitgevoerd op stalen uit de hydrocultuur van de sla en aardbeienteelt. Hierbij worden de stalen gekarakteriseerd via: pH, geleidbaarheid, UV/Vis, COD, GC/MS, HPLC en fluorescentie. Er werd nagegaan of de reeds geïmplementeerde zuiveringsinstallaties voor het recirculeren van nutriëntenoplossing effectief zijn voor de verwijdering van de exudaten. Uit de kwalitatieve GC/MS bepalingen bleek dat de diversiteit aan organische componenten groter was dan reeds in de literatuur beschreven. Hierbij bleek dat er voor zowel palmitinezuur als stearinezuur bij geen enkele behandeling een volledige verwijdering bekomen werd. Door een gebrek aan kwantitatieve meetresultaten kan de eventuele partiële verwijdering echter niet bepaald worden. De uitgevoerde HPLC meting die gebruikt werd voor de bepaling van benzoëzuur in de stalen kan door een slechte scheiding slechts als indicatie gebruikt worden. Deze meting toont tenslotte aan dat bij de in de praktijk gebruikte actieve kool filters een verwijdering van benzoëzuur tussen 62,7 en 82,8 % bekomen werd. Tenslotte werd meting volgens fluorescentiespectroscopie uitgevoerd, hierbij werden steeds humus –en fulvinezuren alsook microbiële bijproducten teruggevonden. De relatieve verwijdering van deze componenten verschilde echter sterk per staal. De hoogst behaalde relatieve verwijdering voor humus en fulvinezuren bedroeg 53,4 % en voor de microbiële bijproducten 42,7 %. Het fytotoxisch potentieel van deze stoffen is echter relatief onbekend en vraagt om extra onderzoek. Root exudation is a term that refers to the secretion and excretion of organic substances by a plant’s root system. These compounds can be phytotoxic and can thus significantly lower crop yields when the water gets recycled. This thesis incorporates the mostly qualitative analysis of drainwater from different strawberry and lettuce hydrocultures. The measurements involve: pH, conductivity, UV/Vis spectroscopy, COD, GC/MS, HPLC and fluorescence spectroscopy. The effectiveness of the active carbon filters, used by the agricultural company’s, is tested. GC/MS measurements showed a much broader diversity of compounds compared to what was already described in literature. This analysis also showed that none of the used filter methods was able to fully clear the drainwater of palmitic and stearic acid. The latter being one of the most potent exudates concerning lettuce autotoxicity. Because the lack of quantitative measurements, the relative removal of these compounds could not be determined. Although through HPLC the removal of benzoic acid was successfully measured. The removal percentages differed between companies and were found to be between 62,7 and 82,8 %. By performing fluorescence spectroscopy (EEM), the presence of humic and fulvic acid as well as microbial, water sollubale side products where found. The relative removal by active carbon filtering fluctuated strongly with the highest removal percentage for humic and fulvic acids being 53,4 % and for microbial producs 42,7%. The phytotoxic potential of these compounds is relatively unknown and needs further scientific studying.

III


Inhoudsopgave Lijst met afkortingen en symbolen ............................................................................................ VI Lijst van tabellen ....................................................................................................................... VII Lijst van figuren ......................................................................................................................... IX Inleiding .................................................................................................................................... 10 1 Literatuurstudie ................................................................................................................. 11 1.1 Exudaten .................................................................................................................... 11 1.1.1 Functionaliteit van exudaten in de natuur .......................................................... 11 1.1.2 Biotische factoren die de exudatie beïnvloeden ................................................ 12 1.1.3 Abiotische factoren die de exudatie beïnvloeden .............................................. 13 1.1.4 Samenstelling van exudaten .............................................................................. 14 1.1.5 Exudaten met betrekking tot autotoxiciteit bij aardbeien (Fragaria x ananassa) en sla (Lactuca sativa L.) .................................................................................................. 15 1.2 relevantie van exudaten in de hydrocultuur .............................................................. 17 1.2.1 Eigenschappen van de nutriëntoplossing .......................................................... 19 1.2.2 Types hydroculturen ........................................................................................... 20 1.2.3 Frequent geïmplementeerde zuiveringsprocessen ........................................... 21 1.3 Analyse van exudaten ............................................................................................... 24 1.3.1 Fluorescentiemeting ........................................................................................... 25 1.3.2 GC/MS analyse van exudaten ........................................................................... 25 1.3.3 Nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectroscopie ................................. 26 2 Materiaal en methoden ..................................................................................................... 27 2.1 Overzicht staalname en uitgevoerde metingen ........................................................ 27 2.2 Kwalitatieve analyse via GC/MS ............................................................................... 27 2.2.1 Extractie en opconcentreren van het staal ........................................................ 27 2.2.2 Derivatisatie en GC/MS meting .......................................................................... 28 2.3 Chemische zuurstofverbruik (COD) .......................................................................... 29 2.4 Actieve kool kolomtest ............................................................................................... 29 2.5 Fluorescentie spectroscopie ...................................................................................... 29 2.6 Kwantitatieve bepaling van benzoëzuur via HPLC -DAD ......................................... 30 3 Resultaten en bespreking ................................................................................................. 31 3.1 pH en geleidbaarheid van het irrigatiewater ............................................................. 31 3.2 UV/Vis spectra van het irrigatiewater ........................................................................ 32 3.3 Chemisch zuurstofverbruik (COD) ............................................................................ 35 3.4 Karakterisering van wortelexudaten via GC/MS ....................................................... 38 3.4.1 Bedrijf 1 (aardbeien op substraat)...................................................................... 38 (2R,3S,4S)-2,3,4,5-tetrahydroxypentanal (= arabinose) ......................................................... 39 3.4.2 GC/MS spectra van drainwater uit slateelt ........................................................ 40 3,4-bis(hydroxy)-5-(hydroxy)oxolan-2-on (= arabiononic acid , 1,4 lacton) ............................ 41 3,4-bis(hydroxy)-5-(hydroxy)oxolan-2-on (= arabiononic acid , 1,4 lacton) ............................ 41 Abieta-8(14),9(11),12-trien-18-oic acid (= abietinezuur) ......................................................... 41 Abieta-8(14),9(11),12-trien-18-oic acid (= abietinezuur) ......................................................... 41 Cyclopropanenonanoicacid, 2-[(2-butylcyclopropyl)methyl]-, methyl ester............................. 43 3.4.3 Kolomtest op het staal van bedrijf 6 (sla MGS) ................................................. 51 3-Hydroxyisovaleric acid of 2-Hydroxyvaleric acid .................................................................. 52

IV


(1R,4aR,4bS,7S,10aR)-1,4a,7-Trimethyl-7-vinyl-3,4,4b,5,6,9,10,10a-octahydro-2Hfenanthreen-1-carboxylzuur (=Pimaric acid)............................................................................ 52 Abieta-8(14),9(11),12-trien-18-oic acid (= abietinezuur) (resin acid) ...................................... 52 3.4.4 Algemene conclusie omtrent de kwalitatieve analyse van het drainwater ........ 53 3.5 Indicatieve kwantitatieve meting op benzoëzuur via HPLC ...................................... 54 3.6 Fluorescentie spectroscopie ...................................................................................... 56 3.6.1 Bedrijf 2 (MGS) ................................................................................................... 56 3.6.2 Bedrijf 3 (MGS) ................................................................................................... 57 3.6.3 Bedrijf 4 (MGS) ................................................................................................... 57 3.6.4 PSKW 1 (FRS) ................................................................................................... 58 3.6.5 PSKW 2 (MGS) .................................................................................................. 59 3.6.6 Bedrijf 5 (MGS) ................................................................................................... 59 4 Besluit ................................................................................................................................ 60 Bijlagen ..................................................................................................................................... 67

V


Lijst met afkortingen en symbolen AK BGAC BSTFA CLSM COD DAD DAS EEM FRS GAC MGS NMR PARAFAC PSKW SPE

VI

Actieve kool Biological Granular Active Carbon N,O-Bis(trimethylsilyl)trifluoroacetamide Confocal Laser Scanning Microscopy Chemical Oxygen Demand Diode Array Detector Differential Absorption Spectrum Excitatie Emissie Matrix Floating Raft System Granular Active Carbon Mobile Gully System Nuclear Magnetic Resonance Parallel Factor Analysis Proefstation Sint-Katelijne-Waver Solid Phase Extraction


Lijst van tabellen Tabel 1: samengestelde tabel met belangerijkste klassen binnen de wortelexudaten met een selectie aan frequent voorkomende componenten en hun functie; bronnen: (Bertin et al. 2003);(Neumann et al. 2014) ................................................................................................... 14 Tabel 2: samenvattende tabel met uitgevoerde bioassays op sla (Lactuca) (Lee et al. 2006; Asao et al. 2004) waarbij de significantie bepaald werd door het interval bepaald door 3 * standaarddeviatie in rekening te brengen. Het effect wordt aangeduid met: 0= geen effect, + = positief effect, - = negatief effect en NG= niet gemeten. ...................................................... 15 Tabel 3: Samenvattende tabel met uitgevoerde bioassays op aardbeien (Kitazawa et al. 2005) met significantie gestaafd via Tukey (P=0,05; n= 9) ..................................................... 17 Tabel 4: Concentraties aan nutriënten bij enkele veelgebruikte nutriëntenoplossingen (tabel integraal uit (Trejo-téllez & Gómez-merino 1998)) .................................................................. 19 Tabel 5: overzichtstabel staalnamen met PSKW = stalen afkomstig uit het proefstation SintKatelijne-Waver ........................................................................................................................ 27 Tabel 6: meetparameters GC/MS ............................................................................................ 29 Tabel 7: parameters voor EEM metingen, zowel voor de 3D-fluorescentie-als voor de 2DRaman-scan ............................................................................................................................. 30 Tabel 8: gedetecteerde stoffen (via Nist 98.1) met relevantie t.o.v. autotoxiciteit bij aardbeien met links stalen voor zuivering en rechts na zuivering via snelle zandfiltratie en UVbehandeling (grijs gearceerde componenten zijn voor beide stalen gemeenschappelijk) ..... 39 Tabel 9: gedetecteerde stoffen (via Nist 98.1) met relevantie t.o.v. autotoxiciteit bij sla met links stalen voor zuivering en rechts na zuivering via AK filtratie (grijs gearceerde componenten zijn voor beide stalen gemeenschappelijk) ....................................................... 41 Tabel 10: gedetecteerde stoffen (via Nist 98.1) met relevantie t.o.v. autotoxiciteit bij sla met links stalen voor zuivering en rechts na zuivering via AK filtratie (grijs gearceerde componenten zijn voor beide stalen gemeenschappelijk) ....................................................... 43 Tabel 11: gedetecteerde stoffen (via Nist 98.1) met relevantie t.o.v. autotoxiciteit bij sla met links stalen voor zuivering en rechts na zuivering via AK filtratie (grijs gearceerde componenten zijn voor beide stalen gemeenschappelijk) ....................................................... 45 Tabel 12:gedetecteerde stoffen (via Nist 98.1) met relevantie t.o.v. autotoxiciteit bij sla (grijs gearceerde componenten zijn voor beide stalen gemeenschappelijk) ................................... 47 Tabel 13: gedetecteerde stoffen (via Nist 98.1) met relevantie t.o.v. autotoxiciteit bij sla met links stalen voor zuivering en rechts na zuivering via AK filtratie (grijs gearceerde componenten zijn voor beide stalen gemeenschappelijk)....................................................... 48 Tabel 14: gedetecteerde stoffen (via Nist 98.1) met relevantie t.o.v. autotoxiciteit bij sla met links stalen voor zuivering en rechts na zuivering via AK filtratie (grijs gearceerde componenten zijn voor beide stalen gemeenschappelijk) ....................................................... 50 Tabel 15: gedetecteerde stoffen (via Nist 98.1) met relevantie t.o.v. autotoxiciteit bij sla met links stalen voor zuivering en rechts na zuivering via AK filtratie (grijs gearceerde componenten zijn voor beide stalen gemeenschappelijk)....................................................... 52 Tabel 16: Samenvattende tabel met de gedetecteerde componenten die omschreven staan in de literatuur. Wit: gedetecteerd, lichtgrijs: enkel het ester vastgesteld, donkergrijs: niet gedetecteerd............................................................................................................................. 53

VII


Tabel 17: concentraties benzoëzuur met bepaalde verwijderingspercentages, waarden met * zijn bekomen door extrapolatie van de ijklijn, ND staat voor niet gedetecteerd. .................... 55 Tabel 18: tabel met fmax waarden en relatieve verwijderingspercentages voor de verschillende componenten in het staalwater van bedrijf 2 ..................................................... 57 Tabel 19: tabel met fmax waarden en relatieve verwijderingspercentages voor de verschillende componenten in het staalwater van bedrijf 3 ..................................................... 57 Tabel 20: tabel met fmax waarden en relatieve verwijderingspercentages voor de verschillende componenten in het staalwater van bedrijf 4 ..................................................... 58 Tabel 21: tabel met fmax waarden en relatieve verwijderingspercentages voor de verschillende componenten in het staalwater van bedrijf 4 ..................................................... 59 Tabel 22: tabel met fmax waarden en relatieve verwijderingspercentages voor de verschillende componenten in het staalwater van bedrijf 5 ..................................................... 59

VIII


Lijst van figuren Figuur 1: microscopische opname van een haarwortel met uitscheiding van exudaten (Weston & Mathesius 2014) ..................................................................................................... 11 Figuur 2: flow chart proceswater in de hydrocultuur (Vercramer 2007) .................................. 18 Figuur 3: CLSM opname van overlangse doorsnede van weefsel uit het wortelgestel van Equisetum (Hutzler et al. 1998) ............................................................................................... 24 Figuur 4: EEM datareeks van de 3e orde (staal excitatiegolflengte emissiegolflengte) (links) ontbonden in 5 PARAFAC componenten (rechts) (Murphy et al. 2013) ...................... 25 Figuur 5: 2 SPE kolommen met XAD-4 hars na extractie ....................................................... 28 Figuur 6: pH van het circulerende irrigatiewater voor en na zuivering .................................... 31 Figuur 7: geleidbaarheid van het circulerende irrigatiewater voor en na zuivering ................ 31 Figuur 8: UV/Vis spectra voor zuivering .................................................................................. 32 Figuur 9: UV/Vis spectra na zuivering ..................................................................................... 32 Figuur 10: DAS spectra van de verschillende bedrijven ......................................................... 33 Figuur 11: UV/Vis spectra van bedrijf 3 voor en na actieve kool behandeling met het effluent van de kolomextractie na 2,5 L staal over de kolom gebracht. ............................................... 34 Figuur 12: DAS spectrum van onbehandeld irrigatiewater (bedrijf 3) ..................................... 34 Figuur 13: DAS spectrum van irrigatiewater na actieve kool behandeling (bedrijf 3) ............. 35 Figuur 14: COD waarden van de verschillende stalen met hun 95 % betrouwbaarheidsintervallen Opmerking: het staal van bedrijf 1 werd slechts 1 maal gemeten en heeft hierdoor geen 95 % interval ....................................................................................... 36 Figuur 15: COD waarden van het effluent van de stalen voor zuivering na 2,5 en 7,5 L over de extractiekolom te hebben gebracht..................................................................................... 37 Figuur 16: COD waarden van het effluent van de stalen na zuivering na 2,5 en 7,5 L over de extractiekolom te hebben gebracht .......................................................................................... 37 Figuur 17: Chromatogram van het staal van bedrijf 3 voor zuivering in een eluens van 50/50 ACN/H2O boven en hetzelfde staal in een eluens met een 40/60 verhouding ACN/H2O gemeten bij 238,4 nm ............................................................................................................... 54 Figuur 18: opgestelde ijklijn voor benzoëzuur met 95 % betrouwbaarheidsintervallen .......... 55 Figuur 19: Excitatie Emissie Matrix (EEM) van 5 geïsoleerde componenten uit stalen van bedrijf 2 ..................................................................................................................................... 56 Figuur 20: contourplots van de verschillende componenten uit het afvalwater van PSKW 1 (FRS) ........................................................................................................................................ 58

IX


Inleiding Voeding wordt een steeds hogere prioriteit bij de groeiende wereldbevolking en om aan die toenemende vraag te kunnen voldoen is er nood aan rendementsverhogingen waarbij op eenzelfde oppervlak een grotere productiecapaciteit kan bekomen worden. Het gaat hier immers om een sector waarin alles om grote kwantiteiten draait, een procentueel kleine verhoging van het rendement kan dus grote gevolgen hebben in absolute cijfers. In de glastuinbouw specifiek heeft zich dit vertaald naar steeds meer bedrijven die overschakelen naar teelt op basis van hydrocultuur. Hierbij is het contactoppervlak tussen het wortelgestel van de plant en de voedingsstoffen in het water groter, wat leidt tot een hogere groeisnelheid en een hoger rendement. Bovendien is het systeem eenvoudiger te automatiseren dan de klassieke teelt in potgrond, wat helpt om de rendabiliteit van de plantage hoog te houden daar de ‘start-up’ kost van een dergelijk systeem hoger is. Indien geen verregaande automatisatie doorgevoerd wordt, dan bied het systeem een lagere arbeidslast omdat de planten op comfortabele werkhoogte kunnen groeien. Doordat deze teeltwijze vrij recent is (Kumar & Cho 2014), is er een grote nood aan onderzoek. Zo kwam aan het licht dat bij de recirculatie van het ‘drain’ water, de opbrengst van bijvoorbeeld tomaten daalt indien er geen zuivering van het water uitgevoerd wordt (Zekki et al. 1996). Hiervoor wordt er in de richting van wortelexudaten gekeken. Wortelexudaten, een recente ontdekking (Bertin et al. 2003), is een verzamelnaam voor stoffen die via het wortelgestel worden uitgestoten waarvan zowel van het kwalitatief en het kwantitatief aspect nog slechts weinig bekend is. De exudaten zouden in het systeem kunnen accumuleren en zo na verloop van tijd de groei van de planten belemmeren. Uit eerdere onderzoeken is reeds gebleken dat verscheidene wortelexudaten wel degelijk een verminderde opbrengst tot gevolg hebben (Kitazawa et al. 2005; Asao et al. 2003). Het is hierbij nog deels onbekend welke wortelexudaten er worden uitgestoten en in welke hoeveelheden, of deze de enige oorzaak zijn en of de waterbehandeling op basis van actieve kool (AK) die reeds veelal toegepast wordt een adequate behandeling is. In dit werk wordt gepoogd enkele vragen te beantwoorden zoals:  Welke stoffen worden er in een drainwaterstaal teruggevonden?  Zijn de reeds toegepaste zuiveringsmethoden adequaat?  In welke hoeveelheden komen deze exudaten voor? Om deze te beantwoorden worden er analyses uitgevoerd op reële stalen. Dit wil zeggen dat de stalen uit glastuinbouw komen en niet uit een proefopstelling. Op deze wijze kunnen representatieve meetwaarden die een realistisch beeld scheppen bekomen worden. Op deze stalen worden metingen op pH, geleidbaarheid en COD uitgevoerd, bovendien worden ook de UV/Vis spectra opgenomen. Om de stoffen in het water te karakteriseren wordt er na een ‘solid phase extraction’ (SPE) via GC/MS een ‘screening’ uitgevoerd. Deze metingen gebeuren zowel voor als na de op het bedrijf voorziene zuiveringsstap. Vervolgens wordt de hoeveelheid benzoëzuur kwantitatief bepaald via HPLC en wordt een proefopstelling gemaakt waarbij een waterstaal over actieve kool wordt gestuurd om zo het absorptievermogen van de exudaten op het AK te bepalen.

10


2

Literatuurstudie

2.1 Exudaten De term exudaten verwijst naar de verzameling van stoffen die worden uitgescheiden door het wortelgestel van planten en omvat zowel excretie als secretie. Het uitscheiden van stoffen door de wortels van planten is een relatief recente ontdekking en draagt bij aan de moderne visie van de functionaliteit van de wortels van planten. Hierbij wordt naast de traditionele visie die bestaat uit: verankering en opname van nutriënten en water, ook exudatie als basisfunctie gezien (Badri & Vivanco 2009). Aangezien het actief uitscheiden van deze componenten met een zekere energetische kost komt, kan verondersteld worden dat deze activiteit een belangrijke rol in de ontwikkeling van de plant speelt. Figuur 1 toont een lichtmicroscopische opname van een haarwortel van een grassoort (Sorghum) waarop de exudaatafscheiding te zien is.

500 µm

Figuur 1: microscopische opname van een haarwortel met uitscheiding van exudaten (Weston & Mathesius 2014)

2.1.1 Functionaliteit van exudaten in de natuur Ecologisch gezien is de bodem rondom het wortelgestel, ook de rhizosfeer genaamd, een competitieve omgeving. Het wortelgestel treed hierbij in competitie met wortels van andere soorten om ruimte, water en nutriënten (McCully 2005). Op het vlak van organische stoffen is de bodem vrij arm, de rhizosfeer met wortelexudaten kan dan ook gezien worden de belangrijkste bron van organische componenten in de bodem (Bertin et al. 2003). Deze organische stoffen zijn onontbeerlijk voor het leven in de bodem. Hierdoor is er in de loop van de evolutie een chemisch systeem ontwikkeld die chemische communicatie tussen het wortelgestel en bodembacteriën mogelijk maakt. Bovendien kunnen deze stoffen ook interageren met het wortelgestel van andere planten wat de plant een competitief voordeel biedt. De interacties kunnen onderverdeeld worden in positieve interacties die een symbiotische respons kunnen uitlokken en negatieve interacties als bescherming voor de plant. Deze interacties komen voor tussen planten onderling, planten en bacteriën en tussen planten, bacteriën en nematoden (Badri & Vivanco 2009).

11


2.1.1.1 Positieve plant-plant interacties Slechts een klein aandeel aan plant – plant interacties zijn positief, zo zijn er bijvoorbeeld exudaten die de weerstand van naburige planten tegenover herbivoren vergroten. Dit is bijvoorbeeld het geval bij kweek-gras, dat wortelexudaten produceert waardoor naburige planten minder aantrekkelijk worden voor bladluizen (Glinwood et al. 2003). De meeste positieve interacties zijn echter plant – bacterie of plant – nematode – bacterie interacties. 2.1.1.2 Negatieve interacties en autotoxiciteit Negatieve plant – plant interacties, ook allelopatie genoemd, komt onder verschillende vormen voor. Zo kan het toxisch effect direct zijn, waarbij de plant fytotoxines uitscheidt die respiratie, membraantransport, kieming en groei van andere planten kunnen verhinderen (Bais et al. 2006). Bepaalde plantensoorten zijn deels resistent door de afbraak van toxines in vacuolen of in gespecialiseerde weefsels, dit zijn echter energetisch veeleisende processen die de groei van de plant belemmeren. Andere mechanismen werken indirect en veranderen de microbiële activiteit of de chemische eigenschappen (zoals de pH) van de bodem waardoor deze ongunstig wordt voor andere planten. Het gaat hierbij echter niet enkel over planten van een andere soort. Negatieve interacties binnen eenzelfde soort wordt autotoxiciteit genoemd, een gevolg hiervan is dat de aanplanting in de buurt van eenzelfde soort leid tot het niet of minder succesvol groeien van de plant. Dit fenomeen kan evolutionair verklaard worden aan de hand van bijvoorbeeld klaver (Trifolium). Hierbij werd vastgesteld dat deze vrij resistent zijn ten opzichte van woekerplanten maar dat grote clusters klaver na verloop van tijd in aantallen en productiviteit dalen (Weston & Mathesius 2014). Beide fenomenen kunnen toegewezen worden aan de grote productie aan fytotoxische secundaire metabolieten. Klaver zou zich ontwikkeld hebben in de noordoostelijke mediterrane kustregio’s waar een droog klimaat en een gebrek aan nutriënten heerste (Hancock 2005). Hierbij kan het een competitief voordeel zijn als nieuwe planten zich niet bij reeds volwassen planten zou ontwikkelen (Hancock, 2005). Autotoxiciteit is dus een middel om dichte populaties van eenzelfde soort te vermijden en zo de competitie om voedingsstoffen te verkleinen om het voortbestaan van de soort te garanderen. In sectie 2.2 wordt besproken hoe autotoxiciteit een nadelige factor is in agrarische monoculturen.

2.1.2 Biotische factoren die de exudatie beïnvloeden Zowel de kwantiteit als de samenstelling van de exudaten veranderen in functie van het ontwikkelingsstadium van de plant. Er werd bij Arabidopsis gerapporteerd dat de uitscheiding van sachariden en polyalcoholen het grootst is in de vroege ontwikkelingsstadia en afneemt met de leeftijd. Anderzijds werd aangetoond dat de exudatie van aminozuren en fenolen stijgt in functie van de tijd (Chaparro et al. 2013). Hierbij werd gespeculeerd dat de kiemende planten veel sachariden uitscheiden om een zo breed mogelijk spectrum aan bacteriën aan te trekken. Met het ouder worden van de plant tracht de plant door het uitscheiden van fenolen en aminozuren een selectie te maken om slechts enkele specifieke bacteriën in de rhizosfeer te hebben.

12


Ook werd vastgesteld dat er meer defensiegerelateerde proteïnen geëxudeerd worden tijdens de bloeiperiode (De-la-Pena et al. 2008). Naast een afhankelijkheid ten opzichte van het ontwikkelingsstadium van een plant wordt gespeculeerd dat de exudaatproductie eveneens afhankelijk zou zijn van de naburige planten (Badri & Vivanco 2009). Zo werd aangetoond dat de productie van glucosinolaten van Arabidopsis stijgt in aanwezigheid van naburige planten. Bovendien steeg de productie in 1 plant evenredig met het aantal planten per oppervlakte-eenheid. Wat aantoont dat de exudaatproductie stijgt in functie van de plantdichtheid (Wentzell & Kliebenstein 2008)

2.1.3 Abiotische factoren die de exudatie beïnvloeden Het wortelgestel wordt constant blootgesteld aan een variëteit van biotische en abiotische stressfactoren aan de wortel-bodem interface. Het wortelgestel reageert hierop door het uitscheiden van een complexe mengeling van chemische stoffen (Badri & Vivanco 2009). Zo is aangetoond dat bodemverdichting (compactie) en milde droogte de hoeveelheid exudaten verhoogt (Brimecombe et al. 2000). De hoeveelheid exudaten is eveneens afhankelijk van de temperatuur, vochtigheidsgraad en hieraan gekoppeld de zuurstofconcentratie. Zo werd aangetoond dat bij Sorgo (Sorghum) de productie van sorgoleone maximaal was bij een temperatuur van 25-35 °C met een hoge relatieve vochtigheidsgraad en een hoge zuurstofconcentratie. Bij een overmatige vochtigheidsgraad met weinig zuurstof en dus een hoge CO 2 of ethyleen concentratie werd weinig tot geen sorgoleone meer gevormd (Dayan et al. 2009). Daar dit benzochinon fytotoxische eigenschappen heeft is het dus interessant factoren zoals temperatuur en zuurstofconcentatie op te volgen. Een ander gevolg van het tekort aan O2 is het veroorzaken van hypoxie wat leid tot een anaerobe respiratie. Hierdoor wordt ethanol, alanine en melkzuur geaccumuleerd. Om te vermijden dat deze fytotoxische concentraties bereiken worden deze stoffen via het wortelgestel uitgescheiden (Badri & Vivanco 2009). Bepaalde exudaten worden uitgescheiden met als doel de opname van metallische micronutriënten zoals ijzer, magnesium, koper en zink te verhogen. Dit gebeurt door chelatie van metalen die gebonden zijn aan bodempartikels, op die manier wordt de mobiliteit en oplosbaarheid van de metalen bevorderd (Bais et al. 2006). Het zijn voornamelijk fenolen die hiervoor verantwoordelijk zijn alhoewel organische zuren eveneens chelatie van metalen kunnen veroorzaken, deze spelen echter een grotere rol bij de opname van fosfor. Bij stress door een tekort aan fosfor of opneembare fosforbronnen word de exudatie van organische zuren zoals citroenzuur, appelzuur of oxaalzuur bevorderd. Deze complexeren het metaal waarmee het fosfaat gebonden is en stellen zo het fosfaat vrij voor opname. De zuren worden eveneens preventief geëxudeerd om zo de eventuele aanwezige kationen te complexeren zodat deze niet meer met fosfaat gebonden kunnen worden (Bais et al. 2006). In aanwezigheid van Al3+, wat aluminiumstress veroorzaakt, worden gelijkaardige componenten geëxudeerd om een onschadelijk complex te vormen. Naast aanwezigheid van nutriënten of toxische stoffen speelt ook de lichtintensiteit een grote rol bij het exuderen, zo produceert de zwarte els (Alnus glutinosa) meer flavonoïden bij verhoogde lichtintensiteit (Hughes et al. 1999). Het natuurlijk exudatiepatroon is dus diurnaal en bovendien seizoensgebonden.

13


2.1.4 Samenstelling van exudaten De samenstelling van exudaten kan algemeen omschreven worden als een verzameling van ionen, anorganische zuren, zuurstof, water en primaire en secundaire metabolieten (Bais et al. 2006). Deze laatste categorie wekt de grootste interesse aangezien deze stoffen voor het uitscheiden van 5 tot 20 % van de fotosynthetisch gefixeerde koolstof verantwoordelijk zijn (Marschner 1995). Naast deze exudaten met laag moleculair gewicht, worden er in mindere mate hoog moleculaire componenten uitgestoten. Deze bestaan voornamelijk uit polysachariden die een slijmlaag rond de wortels vormen, met als doel de wrijving tussen het wortelgestel en de bodem te verlagen om zo de groei te faciliteren (Bertin et al. 2003). Naast polysachariden worden ook proteïnen uitgescheiden. Bij kiemende planten werd vastgesteld dat de exudatie voor 30 tot 40 % van de koolstofkost verantwoordelijk is (Whipps 1990). Tabel 1: samengestelde tabel met belangerijkste klassen binnen de wortelexudaten met een selectie aan frequent voorkomende componenten en hun functie; bronnen: (Bertin et al. 2003);(Neumann et al. 2014)

klasse individuele componenten componenten sachariden en glucose, fructose, mannose, polyalcoholen sucrose, glycerol, inositol

aminozuren en amines

alifatische zuren/ vetzuren aromatische zuren

polyfenolen

enzymen

sterolen

14

functie maltose,

trehalose, creëren van een gunstige omgeving voor de groei van micro-organismen alanine, beta-alanine, aspartaat, glutamaat, glutamine, inhibitie van glycine, leucine, isoleucine, proline, 4-hydroxyproline, nematoden en groei pyroglutamaat, serine, threonine, valinne, beta- van andere aminoboterzuur, 4-aminoboterzuur, putrescine plantensoorten mierenzuur, azijnzuur, boterzuur, propionzuur, regulering en maleïnezuur, citroenzuur, oxaalzuur, appelzuur, inhibitie van fumaarzuur, barnsteenzuur, laurinezuur, linolzuur, plantengroei oliezuur, palmitinezuur, stearinezuur, valeriaanzuur benzoëzuur, p-hydroxybenzoëzuur, 3,4- groeistimulatie of dihydroxykaneelzuur, p-coumarinezuur, ferulazuur, inhibitie 3,4,5-trihydroxybenzoëzuur, 3,4 dihydroxybenzoëzuur, (concentratie 2-hydroxybenzoëzuur, 3-(4-hydroxy-3,5- afhankelijk) dimethoxyfenyl)prop-2-eenzuur, 4-hydroxy-3,5dimethoxybenzoëzuur. flavanolen, anthocyanen groeistimulatie of inhibitie (concentratie afhankelijk) peroxidasen, glucanasen, chitinasen defensieve werking tegen pathogene bacteriën (De-laPena et al. 2008) campestrol, cholesterol, sitosterol, stigmasterol plantengroeiregulatie


2.1.5 Exudaten met betrekking tot autotoxiciteit bij aardbeien (Fragaria x ananassa) en sla (Lactuca sativa L.) Autotoxiciteit werd reeds vastgesteld bij een grote variëteit aan gewassen zoals bij tarwe, gerst, sojaboon, tomaat, sla, aubergine, meloen, komkommer, citrus, watermeloen en aardbeien (Cao & Wang 2007; Lee et al. 2006). Hierbij kan de fytotoxische werking steeds gededuceerd worden naar enkele klassen aan componenten. Lee et al. (2006) ontdekten dat de exudaten afkomstig van sla (Lactuca sativa) bij hergebruik van nutriëntoplossing zonder zuivering minder bladeren met een lagere bladoppervlakte en een kleiner drooggewicht van het wortelgestel en de scheut tot gevolg hadden. Hierbij werd een de link gevonden met de aanwezige organische zuren in het irrigatiewater. Naast melkzuur werden zowel de vetzuren barnsteen, adipine, palmitine, stearine -en laurinezuur als de aromatische zuren benzoëzuur, fenylazijnzuur, kaneelzuur, p-hydroxybenzoëzuur, ftaalzuur, vanillinezuur in het irrigatiewater teruggevonden (Asao et al. 2004; Lee et al. 2006; Neumann et al. 2014). De effecten van deze stoffen werden getest via bioassay’s en worden weergegeven in de samenvattende tabel 2. Een studie door Frezza et al. 2005 toonde bovendien aan dat het drooggewicht en het bladoppervlak van sla gekweekt in een floating systeem (sectie 2.2.2.3) significant lager was dan dat gekweekt in een substraatcultuur. Of dit te wijten is aan exudaatvorming werd echter niet onderzocht. Tabel 2: samenvattende tabel met uitgevoerde bioassays op sla (Lactuca) (Lee et al. 2006; Asao et al. 2004) waarbij de significantie bepaald werd door het interval bepaald door 3 * standaarddeviatie in rekening te brengen. Het effect wordt aangeduid met: 0= geen effect, + = positief effect, - = negatief effect en NG= niet gemeten.

Stof Benzoëzuur

fenylazijnzuur

kaneelzuur

p-hydroxybenzoëzuur

laurinezuur

15

concentratie (µmol/L) 25 50 100 200 400 a 25 50 100 200 25 50 100 200 25 50 100 200 400 a 25 50 100 200

aantal bladen 0 NG 0 0 0 NG -

blad opp. 0 0 NG 0 0 0 NG 0 -

versgewicht scheut 0 0 NG 0 0 0 NG 0 -

wortel 0 0 NG 0 NG 0 -

drooggewicht scheut 0 -/0 -/0 -/0 0 0 0 0 +/0 -/0 -/0 0 0 -

wortel 0 + 0 + NG 0 0 0 + + + 0 + + + + + NG + + + 0


ftaalzuur

vanillinezuur

palmitinezuur

stearinezuur

Mix van bovenstaande stoffen (concentratie per component) barnsteenzuur a

melkzuur a

adipinezuur a

a

25 50 100 200 25 50 100 200 400 a 25 50 100 200 25 50 100 200 25 50 100 200 50 100 200 400 50 100 200 400 50 100 200 400

0 0 NG 0 -

0 0 NG 0 0 0 -

0 0 0 NG 0 0 -

0 NG 0 -

0 0 0 0/-/-/-/0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

+ + + + 0 0 + 0 NG 0 + + 0 + 0 + + 0 + +

enkel getest op drooggewicht van de scheut

Uit tabel 2 blijkt dat vanillinezuur en stearinezuur de meeste negatieve effecten hebben bij de relatief lage concentratie van 25 µmol/L. Bovendien is het opvallend dat het drooggewicht van het wortelgestel na toedienen van de te onderzoeken stof frequent groter is dan die van de controlegroep. Voor dit fenomeen is tot nog toe nog geen verklaring gevonden. Bij aardbeien werd ontdekt dat de ‘soil-sickness’ die eerder toegeschreven werd aan bacteriën vooral te wijten is aan wortelexudaten (Cao & Wang 2007). Bij hergebruik van nutriëntoplossing werd een verminderde groei vastgesteld (Kitazawa et al. 2005). Kitazawa et al. 2005 voerden een GC/MS analyse uit op het recirculatiewater van een hydrocultuur proefopstelling. Hierbij werden 5 pieken succesvol geïdentificeerd als zijnde methyl esters van: melkzuur, benzoëzuur, barnsteenzuur, adipinezuur en phydroxybenzoëzuur. Hierbij werd eveneens een bio-assay uitgevoerd waarbij aangetoond

16


werd dat bij concentraties van 50 µmol/L benzoëzuur en p-hydroxybenzoëzuur de wortellengte van de plant significant kleiner was. Bovendien verlaagde benzoëzuur bij 50 µmol/L eveneens het drooggewicht en versgewicht van de scheut van de aardbeienplant. Tabel 3 vat de resultaten bekomen via bioassay’s samen. Hieruit kan dan ook afgeleid worden dat benzoëzuur het grootste toxische potentieel heeft. Tabel 3: samenvattende tabel met uitgevoerde bioassays op aardbeien (Kitazawa et al. 2005) met significantie gestaafd via Tukey (P=0,05; n= 9)

Stof

controle melkzuur

benzoëzuur

barnsteenzuur

adipinezuur

p-hydroxybenzoëzuur

concentratie (µmol/L)

0 50 100 200 400 50 100 200 400 50 100 200 400 50 100 200 400 50 100 200 400

versgewicht (verhouding) scheut/totale plant 0,98a 0,95a 0,88a 0,88a 0,85a 0,48b 0,42b 0,42b 0,36b 0,80a 0,74a 0,69a 0,87a 0,70a 0,88a 0,74a 0,76a 0,77a 0,67a 0,77a 0,65a

drooggewicht (verhouding) scheut/totale plant 0,17a 0,16a 0,15a 0,16a 0,15a 0,09b 0,09b 0,08b 0,08b 0,14a 0,13a 0,19a 0,16a 0,12a 0,15a 0,13a 0,15a 0,14a 0,13a 0,15a 0,12a

wortel/totale plant

maximale wortellengte (cm)

0,07a 0,06a 0,06a 0,07a 0,06a 0,03b 0,03b 0,03b 0,03b 0,06a 0,04a 0,04a 0,05a 0,03a 0,05a 0,05a 0,05a 0,04a 0,03a 0,05a 0,04a

17,0a 16,2a 13,7b 11,9bc 11,4 12,1b 10,5b 10,3b 9,4c 16,2ab 13,6bc 12,5c 11,7c 14,1ab 12bc 10,6c 9,4c 11,9b 10,8bc 9,1c 10,4bc

Waarden gevolgd door een andere letter dan a zijn significant verschillend van de controle

2.2 relevantie van exudaten in de hydrocultuur De grootschaligheid van de monoculturen die nodig zijn om een hedendaags bedrijf rendabel te houden werkt tevens de autotoxiciteit problematiek in de hand. Deze vorm van toxiciteit komt zowel voor in de traditionele tuinbouw als bij hydrocultuur. In de traditionele tuinbouw wordt autotoxiciteit aangewezen als een oorzaak van de zogenaamde ‘soil sickness’ zoals deze beschreven staat voor o.a. aardbeien (Cao & Wang 2007), snijrozen (Raviv et al. 1998) en komkommer (Huang et al. 2013). Aanvankelijk werd gedacht dat enkel bacteriën en schimmels aan de oorsprong van dit fenomeen lagen. De bodem werd dan ook behandeld met stoom of chemicaliën zoals methylbromide.

17


Deze aanpak zorgde naast desinfectie ook voor een degradatie van de aanwezige exudaten. Sinds het aan banden leggen van het gebruik van methylbromide voor bodemdesinfectie wegens aantasting van de ozonlaag zijn er slechts enkele alternatieven zoals het gebruik van stoom mogelijk. Een andere manier om het effect van exudaten tegen te gaan is het werken volgens een wisselbouwprincipe. Verschillende plantensoorten vertonen een andere gevoeligheid tegenover bepaalde exudaten. Door een bepaalde cyclus aan te houden kan dan de tijd gelaten worden om de exudaten bacterieel af te breken zonder in tussentijd negatieve effecten te veroorzaken (Liu et al. 2007). Door stijgende vraag naar rendabelere voedselproductiemethoden word steeds meer met hydroculturen geteeld. Hierdoor kan ook voedsel geteeld worden op plaatsen met minder vruchtbare grond en is een doorgedreven automatisatie mogelijk. In een hydrocultuur kan het voedingsmedium zijnde een nutriëntoplossing beter gemanipuleerd worden. Desalniettemin zijn er enkele factoren die de allopathie bevorderen. Zo leent een vloeibaar substraat zich meer tot het uitlogen van exudaten en worden de exudaten sneller verspreid over meerdere planten. Dit aangezien de alle planten een gezamenlijke nutriëntenoplossing delen. Ook werd aangetoond dat de exudaatproductie stijgt met de dichtheid waarmee Arabidopsis planten bij elkaar geplant zijn (sectie 2.1.2). Indien dit fenomeen veralgemeend kan worden, wil dit zeggen dat er een significante stijging van exudaatvorming bij elke vorm van monoculuur plaats vindt. Hydrocultuur plantages vergen grote volumes water, dit water wordt vervuild door de gebruikte nutriënten en de uitgescheiden metabolieten. Het gegenereerde afvalwater (of ‘drainwater’) is moeilijk te behandelen aangezien de polluenten sterk verdund zijn (Adler et al. 2003). Hierdoor wordt meestal in een gesloten teeltsysteem gewerkt waarbij het drainwater gezuiverd, verrijkt en gerecirculeerd wordt. Op deze manier wordt het waterverbruik en de lozing van vervuild water verminderd. Het waterverlies door o.a. verdamping en omzetting in biomassa wordt dan gecompenseerd met hemelwater. Figuur 2 geeft schematisch de watercirculatie weer.

Figuur 2: flow chart proceswater in de hydrocultuur (Vercramer 2007)

Na de toevoeging van nutriënten en additieven zoals pesticiden wordt het water langs het wortelgestel van de planten geleid. Het water (“drainwater”) wordt hierna opgevangen in grote buffertanks om daarna gezuiverd en hergebruikt te worden. De rol van de zuiveringsstap is hierbij cruciaal. Indien er enkele componenten niet of onvoldoende verwijderd worden, kunnen deze accumuleren en zo eventueel een toxisch effect teweeg

18


brengen. Om een gedetailleerder beeld van het proces te creëren dient een onderscheid gemaakt te worden tussen de verschillende uitvoeringsvormen die bestaan bij hydroculturen (sectie 2.2.2).

2.2.1 Eigenschappen van de nutriëntoplossing Om de invloed van exudaten op het irrigatiewater in te kunnen schatten, dient de initiële samenstelling ervan gekend te zijn. De nutriëntenoplossing wordt immers beschouwd als een van de belangrijkste invloeden op de groei van de plant (Trejo-téllez & Gómez-merino 1998). Hierbij dienen verschillende factoren zoals: chemische samenstelling, pH en geleidbaarheid in rekening te worden gebracht. 2.2.1.1 Chemische samenstelling van de nutriëntenoplossing Het samenstelling van het irrigatiewater bestaat voornamelijk uit anorganische componenten. Om de elementaire compositie van het water te kennen, is het van belang de essentiële elementen die de meeste planten behoeven te kennen. Deze zijn: koolstof, waterstof, zuurstof, stikstof, fosfor, kalium, calcium, magnesium, zwavel, ijzer, koper, zink, mangaan, molybdeen, boor, chloor en nikkel (Salisbury & Ross 1992). Met uitzondering van koolstof en zuurstof die uit de lucht gehaald worden, dienen de meeste elementen in de nutriëntenoplossing aanwezig te zijn. De meest eenvoudige nutriëntenoplossingen echter bestaan slechts uit 6 componenten die in de hoogste concentratie benodigd zijn: stikstof, fosfor, kalium, calcium, magnesium en zwavel. Deze oplossingen worden dan eventueel nog verrijkt met micronutriënten. De 6 genoemde elementen worden voornamelijk toegevoegd onder de volgende vorm van: NO3-, H2PO4-, SO42-, K+, Ca2+ en Mg2+. Doordat de plant slechts kleine hoeveelheden van deze ionen opneemt, gaat er in een open systeem een hoog percentage aan nutriënten in het drainwater verloren. Zo vonden Dufour & Gue (2005) dat 60% van de nutriënten in het irrigatiewater bij Anthurium via het drainwater afgevoerd werden. In een hydrocultuur met recirculatie is dit verlies minimaal. De concentraties van deze nutriënten zijn afhankelijk van de beoogde nutriëntenoplossing, enkele veelgebruikte oplossingen worden weergegeven in tabel 4. Tabel 4: concentraties aan nutriënten bij enkele veelgebruikte nutriëntenoplossingen (tabel integraal uit (Trejo-téllez & Gómez-merino 1998))

Hoagland & Arnon Nutriënt (1938) mg/L N 210 P 31 K 234 Ca 160 Mg 34 S 64 Fe 2,5 Cu 0,02 Zn 0,05 Mn 0,5 B 0,5

19

Hewitt (1966)

Cooper (1979)

Steiner (1984)

168 41 456 160 36 48 2,8 0,064 0,065 0,54 0,54

200-236 60 300 170-185 50 68 12 0,1 0,1 2 0,3

168 31 273 180 48 336 2-4 0,02 0,11 0,62 0,44


Mo

0,01

0,04

0,2

/

2.2.1.2 De pH van de nutriëntenoplossing De pH in het irrigatiewater is bepalend voor de vorm waaronder de nutriënten voorkomen. Om de toegevoegde ionen voor de plant beschikbaar te maken, dient de pH dus binnen bepaalde grenzen te liggen. Zo slaan de zouten van Fe2+, Mn2+, PO3-4, Ca2+ en Mg2+ neer onder alkalische omstandigheden en verminderen daardoor de opnamecapaciteit van een plant. De optimale zuurtegraad voor de teelt van bijvoorbeeld sla en aardbeien ligt dan ook in een pH interval van 5,5 en 6,5. De zuurtegraad van het irrigatiewater is veranderlijk door de ongelijkmatige opname van nutriënten door de plant. Indien een plant meer anionen dan kationen opneemt, zal deze door de uitstoot van OH- en HCO3- ionen, de inwendige ladingsbalans in evenwicht trachten te houden. Dit proces impliceert een pH stijging in de nutriëntoplossing en wordt fysiologische alkaliniteit genoemd (Marschner 1995). Andere invloeden op de pH kunnen zijn: het exuderen van organische zuren, het toevoegen van hemelwater aan het irrigatiewater. 2.2.1.3 Geleidbaarheid van de nutriëntenoplossing De geleidbaarheid is een belangrijke parameter die rechtstreekse betrekking heeft tot het aantal ionen in een oplossing. Bovendien is deze waarde gecorreleerd aan de osmotische druk. De osmotische druk geeft aan hoe sterk de plant geneigd is water op te nemen, bij een te hoge concentratie aan zouten neemt de plant onvoldoende water op en zal dit een vermindering in groei teweeg brengen. Het optimale gebied voor de geleidbaarheid van de nutriëntenoplossingen voor sla een aardbeien ligt tussen 1,5 en 2,5 dS/m (1500 en 2500 µS/cm). Bij recirculatiesystemen vormt dit een probleem. Vaak stijgt de geleidbaarheid daar tot boven deze drempelwaarde door accumulatie van ionen zoals bicarbonaten, sulfaten en chloriden (Zekki et al. 1996). Dit wordt dan gecompenseerd door het lozen van drainwater en het toevoegen van suppletiewater.

2.2.2 Types hydroculturen 2.2.2.1 Substraat hydrocultuur De substraat hydrocultuur is meest verwant met het telen van planten in de bodem. Dit met als verschil tegenover traditioneel telen dat er een nutriëntoplossing langs het substraat vloeit. Hierdoor kan er constant een gecontroleerde toevoer van nutriënten gerealiseerd worden. Het nadeel van dit type tegenover de verder besproken systemen is de kanaalvorming die kan optreden wanneer de nutriëntoplossing de weg met het minst weerstand door het substaat volgt. Dit leidt dan tot een onevenwichtige nutriëntenverdeling waardoor het contactoppervlak tussen het wortelgestel en de nutriëntoplossing niet optimaal is (Verhagen 2009). Bovendien is ook verstopping een risico, de poriëngrootte is dan ook een belangrijke factor bij het kiezen van een substraat. Veelgebruikte substraten zijn: turf, minerale wol, geëxpandeerde klei, schors, puimsteen,

20


perliet, kokos vezels en houtvezels. Alhoewel bewezen werd dat minerale wol optimaal is voor het telen van sla wordt in België voornamelijk gekozen voor turf (Nichols 2011) 2.2.2.2 Mobile gully system (MGS) Het mobile gully system is gebaseerd op de ‘Nutrient Film Technique’, een systeem waarbij het irrigatiewater constant als een dunne film rond de wortels vloeit. Dit resulteert in een kleinere stilstaande laag rondom de wortels en bevordert op die manier het transport van nutriënten naar het worteloppervlak (Chen et al. 1997). Het mobile gully system is een frequent gebruikte techniek in het veld van de geautomatiseerde hydrocultuur. Het systeem is opgebouwd uit kunststof ‘goten’ waarin aan de bovenkant op regelmatige intervallen uitsparingen voorzien zijn. Deze goten rusten naast elkaar op een metalen constructie en maken deel uit van een doorschuifsysteem. Aan de ene zijde worden de uitsparingen van de goten gevuld met jonge planten (veelal in turf geplant). Met elke nieuwe goot die geplaatst wordt verplaatst de vorige voorwaarts. Naarmate de goten verder propageren worden de aanwezige planten ouder. Hierbij worden de goten ook steeds verder uit elkaar geplaatst om de lichtinval van de steeds groter wordende planten stabiel te houden (Nichols 2011b). De nutriëntenoplossing die via de zijkanten van de goten wordt toegevoerd verandert van debiet naarmate de planten ouder worden. Dit om het algemeen waterdebiet te verlagen (t.o.v. gelijke toevoer in elk groeistadium) en zo de actieve kool gebruikt in de zuivering minder te belasten. Het water wordt na elke goot afgevoerd en gaat naar de zuivering. Dit volledige proces kan geautomatiseerd worden en de goten worden na het oogsten stelselmatig hergebruikt. 2.2.2.3 Floating Raft System (FRS) Het floating raft system is minder complex en goedkoper dan het MGS. De groeicyclus is ook aanzienlijk korter bij het ‘floating systeem’ dan bij planten in de volle grond geplant. Het systeem bestaat uit polystyreen platen met uitsparingen, hierin worden jonge planten geplant. De platen drijven in een ondiep bassin waarin het water wordt gecirculeerd. Om de ontwikkeling van het wortelgestel te bevorderen en anaerobe respiratie (sectie 2.1.3) te vermijden wordt lucht in het water gepompt. Hierbij wordt het water slechts weinig gezuiverd wat kan leiden tot accumulatie van stoffen zoals N bij plantensoorten zoals rucola (Eruca vesicaria) (Jose & Franco 2007).

2.2.3 Frequent geïmplementeerde zuiveringsprocessen Frequent toegepaste zuiveringsmethoden in de hydrocultuur zijn gebaseerd op zeefwerking, adsorptie en desinfectie. In een eerste stap wordt vaak gebruik gemaakt van een snelle zandfilter waarvan de werking grotendeels op de zeefwerking berust. Hierna wordt eventueel een langzame zandfiltratie geschakeld die door middel van microbiële activiteit in combinatie met zeefwerking verdere afbraak van organische stoffen mogelijk maakt. Er wordt echter vaker een beroep gedaan op een granulaire actieve kool filter met al dan niet enige biologische activiteit. Deze is door de adsorberende werking en apolair karakter geschikt voor het zuiveren van organische componenten. Sommige bedrijven maken gebruik van een desinfectie door middel van UV(-C)-licht. Er is geen algemene

21


consensus over het gebruik van UV(-C) desinfectie, een verwijdering van de microbiële activiteit in het water kan immers leiden tot een groeivertraging door het ontbreken van symbiotische micro-organismen. 2.2.3.1 Langzame zandfiltratie De langzame zandfilter maakt gebruik van zand als filtermedium met een korrelgrootte tussen 0,5 en 3 mm. De afbraak gebeurt door de micro organismen die zich in de bovenste zandlaag bevinden (Schijven et al. 2013), de kwaliteit van het effluent is dan ook sterk onderhevig aan de hoeveelheid organismen. Het dient opgemerkt te worden dat er bij zandfiltratie naast microbiologische activiteit ook sprake is van mechanische afscheiding (zeefwerking) en adsorptie (Elliott et al. 2011), de effecten hiervan zijn echter minimaal. Naast het risico op het afsterven van de micro-organismen, is er ook een periodieke verhoging van de filterbedweerstand, waardoor de filter regelmatig (enkele weken tot maanden) gereinigd dient te worden. Door de langzame filtratiesnelheden (0,10,3 m/h) worden de meeste partikels in de bovenste laag van de filter tegengehouden, voor de reiniging volstaat dus voornamelijk het vervangen van de bovenste laag zand (Metcalf et al. 2004). 2.2.3.2 Granulaire actieve kool Granulaire actieve kool (GAC) is een adsorbens die vaak gebruikt wordt voor de verwijdering van lage concentraties aan verontreiniging in afvalwater. Dit omdat actieve kool een groot specifiek oppervlak heeft (1000 m²/g) en zijn inwendige structuur met macro-, meso –en microporiën uiterst geschikt is voor adsorptie. Toch heeft de adsorptie over actieve kool enkele nadelen. Bij het adsorberen van mengsel van organische componenten met verschillende molecuulmassa’s is er sprake van concurrentie. Dit wil zeggen dat grotere molecules zich in grotere (macro –en micro)poriën vestigen en zo de microporiën afschermen voor kleinere molecules. Dit resulteert in een inefficiënt gebruik van adsorptieoppervlak en dus een verlies aan adsorptiecapaciteit (Simpson 2008). Een ander nadeel is dat ondanks het groot specifiek oppervlak, de actieve kool na verloop van tijd verzadigd raakt. Hierdoor dient het actieve kool na een bepaalde periode, afhankelijk van de belasting, geregenereerd of verwijderd te worden (Simpson 2008). Doordat het herhaaldelijk regenereren en vernieuwen van het actieve kool duur is (1000 tot 2000 euro/ton (Babel & Kurniawan 2003)), werd de BGAC-filter ingevoerd. Naarmate de GAC verzadigt raakt, werd vastgesteld dat het poreus oppervlak van het GAC een goed medium vormt voor de aanhechting van biofilms. Verder werd een significante stijging in biologische activiteit vastgesteld na aanhechting op het GAC medium. Zo ondergaan sommige bacteriën een mutatie waarbij het aantal flagellen toeneemt na aanhechting, dit om meer voedsel op te kunnen nemen (Cooksey 1995). Ook ondergaan de micro-organismen door een hoge concentratie aan geadsorbeerde nutriënten een versnelde groei (Simpson 2008). De afname in adsorberende werking van de GAC wordt dus gecompenseerd door een toename in biologische activiteit en vervolgens werken deze 2 processen in synergie. Hierdoor moet de actieve kool minder frequent geregenereerd of verwijderd worden en bied de BGAC-filter een voordeel tegenover de klassieke actieve kool filter. Yu et al. (1993) ondervonden een stijging in groei van tomaten bij het toevoegen van AK in de buffertank van hun proefopstelling. Hierbij werd een afname in organische componenten vastgesteld terwijl

22


nutriëntenconcentraties stabiel bleven (met uitzondering van Fe en P). Zonder de organische componenten te identificeren werd hierbij gespeculeerd dat het om wortelexudaten zou kunnen gaan. Bij sla (Lee et al. 2006) werd een gelijkaardig onderzoek uitgevoerd. Er werd 2,5 g/l AK aan de opstelling toegevoegd samen met een artificieel mengsel van 9 beschouwde wortelexudaten. Parameters zoals het aantal bladen, bladoppervlak, versgewicht en drooggewicht van zowel de scheut als het wortelgestel werden bepaald na 10 dagen. De bekomen data werden dan vergeleken met planten in dezelfde omstandigheden zonder AK en planten in een nutriëntoplossing zonder exudaten. De resultaten toonden aan dat de planten met de exudaten en AK behandeling over het algemeen een betere groei hadden dan de planten zonder AK. Deze vertoonden echter nog steeds een kleiner bladoppervlak en lagere versgewichten in vergelijking met de planten zonder kunstmatig toegevoegde exudaten. 2.2.3.3 Electrodegradatie Naast de eerder besproken methodes wordt er onderzoek gevoerd naar het verwijderen van exudaten via electrodegradatie. Dit onderzoek beperkt zich voorlopig enkel tot het drainwater van aardbeien. Een eerste onderzoek, uitgevoerd door Asao et al. (2008) richtte zich op het verwijderen van benzoëzuur aangezien deze een potente autotoxische component is (Sectie 2.1.5). Hierbij werd een nutriëntenoplossing met 400 µmol/L toegevoegd benzoëzuur aangemaakt. Vervolgens werden gedurende 8 maanden 10 aardbeienplanten in dit medium gekweekt. Om de 2 weken werden de concentraties van de nutriënten terug naar hun oorspronkelijke waarden gebracht en werd er telkens een electrodegradatie gedurende 24 h uitgevoerd. Na de 8 maanden werden factoren zoals bladoppervlak, versgewicht en drooggewicht bepaald en vergeleken met 2 controletesten. Deze controles waren: groei onder dezelfde omstandigheden zonder elektrodegradatie en groei in continu vernieuwd groeimedium zonder toegevoegd benzoëzuur. De resultaten wezen uit dat er meer groei was bij het behandelde nutriëntenvloeistof dan bij de onbehandelde. De groei was hierbij echter nog steeds lager dan bij de continu vernieuwde nutriëntenvloeistof. Een later onderzoek (Asaduzzaman et al. 2012) wees uit dat dit ondermeer te wijten is aan het degraderen van het Fe-EDTA complex uit de nutriëntenvloeistof. In dit onderzoek werd supplementair Fe-EDTA na elektrodegradatie toegevoegd en werd de elektrodegradatie minder frequent uitgevoerd. De groei bekomen met een continu gerecirculeerd medium bedroeg 99 % van de groei in het continu vernieuwd medium. Dit resultaat toont aan elektrodegradatie in de toekomst een belangrijke zuiveringstechniek in de hydrocultuur kan worden.

23


2.3 Analyse van exudaten De term wortelexudaten omvat vrij veel stoffen (sectie 2.1.4). Hierdoor zijn er dan ook een aantal verschillende detectiemethoden die al dan niet specifiek zijn voor bepaalde types exudaten. Zo wordt voor detectie van aminozuren gebruik gemaakt van ninhydrine om te bepalen waar de exudaten uit het wortelgestel worden vrijgemaakt (Badri & Vivanco 2009). Hierbij groeit de plant zodanig dat het wortelgestel contact maakt met filtreerpapier, dit filtreerpapier wordt achteraf besproeid met ninhydrine. Aangezien ninhydrine een paarse kleurreactie met aminozuren vertoont, kan op deze wijze de locatie van de exudatie van deze stoffen gevolgd worden (Badri & Vivanco 2009). De ninhydrine techniek wordt echter niet op het irrigatiewater toegepast en heeft slechts een beperkt kwalitatief vermogen. Er bestaat eveneens een detectiemethode voor het waarnemen van moleculen met fenolen groepen zoals bijvoorbeeld: hydroxykaneelzuur, coumarinezuur en flavanolen (Hutzler et al. 1998). Doormiddel van “confocal laser scanning microscopy” (CLSM) kunnen deze moleculen in en rond het wortelgestel van een plant gevisualiseerd worden. Deze techniek is gesteund op de fluorescente eigenschappen van de fenolen. Er wordt een laser met een golflengte afhankelijk van de te detecteren component op een doorsnede van het wortelgestel gericht. Het door fluorescentie geëmitteerde licht komt vervolgens op het objectief terecht en kan zo waargenomen worden. Figuur 3 toont een CLSM opname van een weefsel uit het wortelgestel van Equisetum ook paardenstaart genoemd. Hierbij is het blauwe emissielicht afkomstig van cafeïnezuur (3,4dihydroxykaneelzuur), het groene licht is afkomstig van styrylpyron (3-[(E)-2-Phenylvinyl]2H-pyran-2-one.

Figuur 3: CLSM opname van overlangse doorsnede van weefsel uit het wortelgestel van Equisetum (Hutzler et al. 1998)

Hetzelfde principe kan toegepast worden op het afvalwater, door middel van fluorescentiemetingen kan dan per excitatiegolflengte de intensiteit van de emissiegolflengte bepaald worden). De bekomen excitatie emissie matrix (EEM) wordt gebruikt om het type stof en eventueel ook om de kwantiteit van de stof te bepalen. Om meer gedetailleerde informatie te verkrijgen dienen dan ook andere meetmethoden aangewend te worden. Hierbij worden analyses met behulp van: GC/MS (Asao et al. 2003; Neumann et al. 2014; Bertin et al. 2003; Yu et al. 1993; Lee et al. 2006; Fan et al. 1997) en NMR spectrometrie (Fan et al. 2001) in de literatuur beschreven.

24


2.3.1 Fluorescentiemeting Fluorescentie excitatie-emissie matrix (EEM) spectroscopie is een techniek die reeds gebruikt werd voor het bestuderen van opgeloste organische stoffen afkomstig uit verschillende bronnen (Escudero et al. 2014). Door de aanwezigheid van verschillende gelijkaardige fluorescente componenten is het vaak niet mogelijk om EEM spectra met duidelijk geïsoleerde pieken te bekomen (Chen et al. 2003). Het opmeten van een EEM levert meer data op dan bijvoorbeeld het scannen van verschillende emissiegolflengtes bij een vaste excitatiegolflengtes. Door deze vele informatie zijn EEM spectra (figuur 4; links) vaak moeilijk te interpreteren. Hierbij werden deze pieken vaak visueel geïdentificeerd daarentegen staat het gebruik van “multivariate data analysis”, een relatief recente ontwikkeling (Stedmon & Bro 2008). Een van deze analysetechnieken is de “parallel factor analysis” (PARAFAC), het gebruik hiervan maakt het mogelijk om de individuele fluorescentie fenomenen te analyseren (Bro 1997). De PARAFAC analyse maakt het mogelijk een datareeks van de 3 e orde (staal excitatiegolflengte emissiegolflengte) om te zetten in een set 3d grafieken zoals weergegeven op figuur 4. Deze 3d grafieken stellen de fluorescentie van de afzonderlijke componenten voor. Door vervolgens de maximale fluorescentie over de tijd te volgen, kunnen de relatieve kwantiteiten per stof doorheen de verschillende stalen opgevolgd worden.

Figuur 4: EEM datareeks van de 3e orde (staal excitatiegolflengte emissiegolflengte) (links) ontbonden in 5 PARAFAC componenten (rechts) (Murphy et al. 2013)

EEM fluorescentie spectroscopie werd reeds gebruikt voor het bepalen van exudaten van de tomaat (Escudero et al. 2014). Hierbij werden humuszuren en aromatische aminozuren in het drainwater gedetecteerd (Escudero et al. 2014).

2.3.2 GC/MS analyse van exudaten Om de exudaten in een waterstaal kwalitatief te karakteriseren wordt steeds een intensieve voorbehandeling toegepast. Deze kan opgesplitst worden in drie stappen: opconcentreren, fractioneren en derivatiseren. De eerste stap wordt uitgevoerd door het waterstaal over een adsorbens te sturen. Nadien worden de componenten terug gedesorbeerd in een kleiner volume methanol (Lee et al. 2006) of een mengsel van methanol en NaOH (Yu et al. 1993; Asao et al. 2003). De keuze van het absorbens is belangrijk want enkel de weerhouden componenten worden immers uiteindelijk gemeten. Hiervoor wordt of actieve kool (Lee et al. 2006; Asao et al. 2003) of XAD-4 hars (Lee et al. 2006) gebruikt. XAD-4 is een vernet polystyreen hars

25


onder de vorm van korrels (afmetingen 0,49 tot 0,69 mm) zonder ingebouwde functionele groepen (Haas 2001). Dit hars wordt frequent gebruikt voor het verwijderen van vetzuren met een relatief lage molaire massa (Aiken et al. 1992). Het bekomen methanol extract wordt vervolgens onder verlaagde druk en bij lage temperatuur uitgedampt. Hierna wordt het residu opgelost in water en geëxtraheerd met di-ethylether bij pH 2. Na indampen van het di-ethylether worden de componenten in het staal gesilyleerd. Dit om eventuele reacties tussen de silanolgroepen in de GC-kolom en de hydroxylgroepen van de exudaten tegen te gaan. Tenslotte volgt de GC/MS meting waarbij de verschillende stoffen geïdentificeerd kunnen worden. Via GC/MS kunnen eveneens kwantitatieve resultaten bekomen worden. Fan et al. (1997) onderzochten manieren om wortelexudaten te analyseren via GC/MS. Hierbij werd het waterstaal gevriesdroogd om dit gevriesdroogde residu vervolgens rechtstreeks te silyleren met N,O-Bis(trimethylsilyl)trifluoroacetamide (BSTFA). Door gebruik te maken van zuivere stoffen werden voor de verschillende stoffen ijklijnen opgesteld. De piekoppervlakken van het gemeten staal werden vervolgens vergeleken met de ijklijnen om zo een kwantitatief resultaat te bekomen.

2.3.3 Nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectroscopie NMR spectroscopie is een techniek waarbij die de structuur van een molecule bepaald kan worden door de interactie van het magnetisch veld van een atoomkern met een uitwendig aangelegd magnetisch veld. Hierbij ontstaan verschillende energieniveaus. Door elektromagnetische straling door het atoom te sturen kunnen deze energieniveaus overbrugd worden, dit zorgt voor een resonantie en dus gedeeltelijke absorptie van de ingestuurde straling. Bij 1H NMR spectroscopie wordt de resonantie van protonen bepaald. Aan de hand van het gemeten spectrum kan dan het aantal waterstofatomen per koolstofatoom bepaald worden. Hierdoor kan uiteindelijk de structuur van een onbekende stof achterhaald worden. Deze techniek werd samen met GC/MS gebruikt voor de bepaling van complexvormende exudaten bij gerst (Hordeum vulgare) door Fan et al (1997).

26


3

Materiaal en methoden

3.1 Overzicht staalname en uitgevoerde metingen De staalname gebeurde in samenwerking met het proefstation voor de groenteteelt in Sint-Katelijne-Waver (PSKW). In het totaal werden stalen op 8 bedrijven genomen (zie Tabel 5). Deze bestonden uit 10 L gerecirculeerd water waarbij indien een staal voor en na de zuiveringsinstallaties genomen werd (indien aanwezig). Hierbij ging extra aandacht uit naar het staal PSKW1 waarbij een afname in groei en kwaliteit van sla in functie van de tijd waargenomen werd. Alle stalen werden bewaard bij 5 °C en na het meten van de geleidbaarheid en pH aangezuurd met HCl (3 mol/L) tot een pH van 2. Dit om bacteriële afbraakreacties te vermijden. Tabel 5: overzichtstabel staalnamen met PSKW = stalen afkomstig uit het proefstation Sint-KatelijneWaver

staalcodering

teelt plant

teelt type

plaats staalname

bedrijf 1 Voor Na

aardbeien

substraatteelt

bedrijf 2 Voor Na

sla

MGS

voor en na snelle zandfiltratie en UV ontsmetting voor en na actieve kool filtratie

bedrijf 3 Voor Na

sla

MGS

voor en na actieve kool filtratie

PSKW 1

sla

FRS

geen zuivering aanwezig

PSKW 2 Voor Na

sla

MGS


bedrijf 4 Voor Na

sla

MGS


bedrijf 5 Voor Na

sla

MGS


bedrijf 6

sla

MGS

voor actieve kool filtratie

uitgevoerde analyses pH; conductometrie UV/Vis;COD; GC/MS; HPLC; EEM pH; conductometrie UV/Vis;COD; GC/MS; HPLC; EEM pH; conductometrie UV/Vis;COD; GC/MS; HPLC; EEM pH; conductometrie UV/Vis;COD; GC/MS; HPLC; EEM pH; conductometrie UV/Vis;COD; GC/MS; HPLC; EEM pH; conductometrie UV/Vis;COD; GC/MS; HPLC; EEM pH; conductometrie UV/Vis;COD; GC/MS; HPLC; EEM Kolomtest GC/MS

3.2 Kwalitatieve analyse via GC/MS 3.2.1 Extractie en opconcentreren van het staal Na neutraliseren (pH 7) met behulp van NaOH werd een ‘solid phase extraction’ (SPE) op 8 L staal uitgevoerd door middel van een kolom met XAD-4 hars. De extractie werd uitgevoerd in een kolom (Figuur 5) met een bedvolume van 50 mL met een debiet van

27


31,25 mL/min wat resulteert in een verblijftijd van 1,6 minuten zoals in de literatuur voorgeschreven (Lee et al. 2006).

Figuur 5: 2 SPE kolommen met XAD-4 hars na extractie

Bij het extraheren werd met intervallen van 2,5 L een staal van het effluent genomen dit om een beeld te krijgen van de efficiëntie van de extractie door middel van COD, UV/Vis (padlengte= 1cm) en fluorescentie metingen. Na de extractie werd het hars overgebracht in een beker en 5 maal gedurende 10 minuten gesuspendeerd in telkens 90 mL methanol (HPLC-grade). Vervolgens werd het methanol uitgedampt bij 40°C onder verlaagde druk, het bekomen concentraat werd opgelost in 20 mL H2O gevolgd door een fractionering. De fractionering ging door in een scheitrechter waarin de oplossing gebracht werd. De oplossing werd aangezuurd tot pH 2 d.m.v. HCl (2 mol/L) en geëxtraheerd met 3 maal 20 mL di-ethylether. Hetzelfde werd uitgevoerd bij pH 7 en pH 12 door toevoeging van NaOH (3 mol/L). De bekomen fracties werden uitgedampt bij opnieuw 40 °C onder verlaagde druk. 1 mL van het bekomen concentraat werd overgebracht in een flesje met conische bodem en uitgedampt onder droge omstandigheden. Het staal werd na elke tussenstap bewaard bij 5 °C.

3.2.2 Derivatisatie en GC/MS meting Het bekomen volledig droge concentraat werd vervolgens gederivatiseerd door het toevoegen van 100 µL N,O-Bis(trimethylsilyl)trifluoroacetamide (BSTFA) en gedurende 1 h bij kamertemperatuur te plaatsen. Hierna werd de gederivatiseerde oplossing gemeten via GC/MS met de in Tabel 66 weergegeven parameters en met een HP5 (5% fenylgesubstitueerd methyylpolysiloxaan) capillaire kolom met een lengte van 30 m, inwendige diameter van 0,25 mm en een filmdikte van 0,25 µm (Lee et al. 2006). De bekomen spectra werden vervolgens met de Nist 98.1 bibliotheek vergeleken voor identificatie van de componenten.

28


Tabel 6: meetparameters GC/MS

parameter

waarde

He debiet (cm/s)

34

split ratio injector T (°C)

splitless 280

oven T1 (°C) gradiënt 1 (°C/min.)

80 (1 min hold) 10

oven T2 (°C)

160

gradiënt 2 (°C/min.)

5

oven T3 (°C)

235

gradiënt 3 (°C/min.)

50

oven T4 (°C) detector T (°C)

280 (5 min. hold) 200

Ionisatie voltage (eV)

70

3.3 Chemische zuurstofverbruik (COD) De COD werd spectrofotometrisch bepaald door het toevoegen van K2Cr2O7 waarbij de overmaat aan Cr3+ gedetecteerd kan worden. Hierbij werd m.b.v. glucose een ijklijn aangemaakt die equivalent is aan een zuurstofconcentratie tussen 50 en 1000 ppm. Er werd 4,00 mL standaard of onbekende samen met 1 mL AgNO 3 in een vuurvaste afsluitbare proefbuis gebracht. Vervolgens werd 2,00 mL K2Cr2O7 (0,0500 mol/L) en 6 mL van 10 g AgSO4/ L geconcentreerd H2SO4 toegevoegd. De afgesloten proefbuis werd dan gedurende 2 h bij 150 °C geplaatst. Na afkoelen werden deze gecentrifugeerd (2 min bij 3000 t/min) en hierna werd de absorbantie bij 595,5 nm opgemeten. Elk staal werd 3 maal gemeten.

3.4 Actieve kool kolomtest De kolomtest bestond uit een reëel staal (Bedrijf 6; Tabel 5) die over een actieve kool kolom met gekend bedvolume werd gestuurd. De verblijftijd werd hierbij gebaseerd op de praktische waarde van 30 min die aangeraden wordt in de hydrocultuur teelt. Er werd een kolom opgesteld met een bedvolume van 357,1 cm³ en het water werd met een s van 0,711 L/h (1 m/h) over de kolom gestuurd. Door het minimum staalvolume van 8 L, nodig om een GC/MS screening uit te voeren, werd er telkens over 11 h staal genomen.

3.5 Fluorescentie spectroscopie Er werd op de stalen staal van bedrijf 1 t.e.m. bedrijf 5 en eveneens op de stalen na 2,5 en 7,5 L afkomstig uit de extractietap een fluorescentie meting uitgevoerd. Dit omdat bepaalde componenten zoals aminozuren en flavanolen fluorescente eigenschappen hebben. Door licht met een bepaalde golflengte op deze stoffen te sturen worden deze moleculen geëxciteerd en zenden deze licht met een grotere golflengte dan het ingezonden licht uit. Door bij elke excitatiegolflengte de intensiteit van het geëmitteerd licht per emissiegolflengte te bepalen wordt een excitatie emissie matrix (EEM) opgesteld. Door deze metingen uit te voeren op stalen voor en na zuivering kan de verwijdering van bepaalde stoffen bepaald worden. Hierbij werd elk staal verdund zodat de absorbantie bij

29


254 nm maximaal 0,3 bedroeg, dit om het inner filter effect te vermijden. Bovendien werd het Raman spectrum van water als blanco opgenomen. De parameters die bij deze metingen gebruikt werden staan beschreven in tabel 7. Tot slot werd deze data verwerkt met parallel factor analysis (PARAFAC) via de drEEM toolbox in matlab (Murphy et al. 2013). Tabel 7: parameters voor EEM metingen, zowel voor de 3D-fluorescentie-als voor de 2D-Raman-scan

parameter excitatiegolflengte emissiegolflengte excitatie-spleetbreedte (nm) excitatie-spleetbreedte (nm) gevoeligheid scansnelheid responstijd (s) sampling interval (nm)

fluorescentie scan (3D) 220-450 nm met 5 nm stappen 280-600 nm met 1 nm stappen 5 5 Hoog heel snel 0,25 1

blanco raman scan (2D) 350 nm 365-450 met 0,2 nm stappen 5 5 hoog snel 0,25 0,2

3.6 Kwantitatieve bepaling van benzoëzuur via HPLC -DAD De concentratie aan benzoëzuur in het waterstaal werd bepaald door middel van een HPLC meting. Hierbij werd het staal vooraf gefilterd om eventuele vaste partikels te verwijderen en verstopping van de sample loop of kolom te vermijden. De scheiding verliep isocratisch met een eluens bestaande uit acetonitrile/H2O (40/60) die doormiddel van H3PO4 op een pH van 2 gebracht werd. Het volume ingebracht staal bedroeg 200 µL en er werd gebruik gemaakt van een Alltima TM C18 kolom van AlltechTM. Als detector werd een diode array detector gebruikt, deze laat toe verschillende golflengten tezelfdertijd op te meten. De eigenlijke meting verliep bij 233 nm. De scheiding werd uitgevoerd bij een flow rate van 1 mL/min.

30


4

Resultaten en bespreking

4.1 pH en geleidbaarheid van het irrigatiewater

pH

Om een beeld te krijgen van de zuurtegraad, de concentratie aan ionen en de invloed van de zuiveringsinstallatie op deze parameters, werd telkens de pH (Figuur 6) en geleidbaarheid (Figuur 7) gemeten. 7,5 7 6,5 6 5,5 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0

voor zuivering

na zuivering

Bedr.1 Bedr.2 Bedr.3 Bedr.4 PSKW 1 PSKW 2 Bedr.5 (substr. (MGS (MGS (MGS (FRS sla) (MGS (MGS Aard.) sla) sla) sla) sla) sla) Figuur 6: pH van het circulerende irrigatiewater voor en na zuivering

Geleidbaarheid (dS/m)

3 2,5 2 1,5 voor zuivering 1 na zuivering 0,5

0 Bedr.1 Bedr.2 Bedr.3 Bedr.4 PSKW 1 PSKW 2 Bedr.5 (substr. (MGS (MGS (MGS (FRS (MGS (MGS Aard.) sla) sla) sla) sla) sla) sla) Figuur 7: geleidbaarheid van het circulerende irrigatiewater voor en na zuivering

Op figuur 6 is te zien hoe de pH van het irrigatiewater met enkele uitzonderingen hierop telkens in het optimale interval tussen 5,5 en 6,5 ligt (sectie 2.2.1.2). Uitzonderingen hierop zijn de stalen afkomstig uit de kweek van aardbeien op substraat en de stalen van het floating raft system. Dit kan eventueel toegeschreven worden aan de fysiologische alkaliniteit en zou een verminderde groei teweeg kunnen brengen.

31


Figuur 7 toont hoe de geleidbaarheid bij de meeste stalen in het ideale gebied tussen 1,5 en 2,5 dS/m ligt waarbij optimale groei optreedt. Uitzonderingen hierop zijn de stalen 1 en 2 afkomstig uit de aardbeienteelt die onder het ideaal gebied liggen. De stalen PSKW 1 en PSKW 2 evenals het staal bedrijf 5 na zuivering liggen boven de drempelwaarde van 2,5 dS/m. Deze resultaten bevestigen dat er een mogelijk problematische accumulatie van zouten in het water plaatsvindt. Op zowel figuur 6 als 7 valt eveneens te zien hoe de actieve koolfiltratie geen significant verschil maakt in pH of geleidbaarheid. Dit is te verklaren doordat actieve kool, een apolair adsorbens, geen of weinig ionen adsorbeert.

4.2 UV/Vis spectra van het irrigatiewater Door het opmeten van de UV/Vis spectra kan bepaald worden of er een procentuele afname van lichtabsorberende componenten meetbaar is. Hierbij wordt voornamelijk gedacht aan aromaten aangezien hun geconjugeerde dubbele bindingen een absorbantie boven de 200 nm kunnen veroorzaken. In de figuren 5 en 6 wordt nagegaan hoe de verhoudingen tussen de verschillende stalen afkomstig van voor de zuivering zijn. 2,5 Bedr.1 (substr. aard.) Bedr.2 (MGS sla) Bedr.3 (MGS sla) Bedr.4 (MGS sla) PSKW1 (FRS sla)

absorbantie

2 1,5 1 0,5 0 230

280

330 380 golflengte (nm)

430

PSKW2 (MGS sla) Bedr.5 (MGS sla)

Figuur 8: UV/Vis spectra voor zuivering

2,5

Bedr.1 (substr. aard.)

absorbantie

2

Bedr.2 (MGS sla)

1,5

Bedr.3 (MGS sla) 1 Bedr.4 (MGS sla) 0,5 PSKW2 (MGS sla) 0 230

280


430

Figuur 9: UV/Vis spectra na zuivering

32

Bedr.5 (MGS sla)


Figuur 8 toont opmerkelijke onderlinge verschillen in absorbantie waarbij het staal afkomstig van bedrijf 5 algemeen laagste absorbantie met een opvallende piek bij 300,5 nm vertoont. Hierna volgt het staal uit het floating raft system wat in tegenstelling is met de verwachte hogere absorbantie in een systeem waar minder zuivering aanwezig is. Na de zuiveringsstap is de verhouding tussen de verschillende stalen gelijkaardig met bij bedrijf 5 opnieuw een piek die bij 300,5 nm zichtbaar is. Om na te gaan of de toegepaste zuiveringsstap effectief een verwijdering van UV absorberende aromaten teweeg brengt wordt een differentieel absorptiespectrum (DAS) opgesteld (figuur 7). Hierbij wordt het verschil genomen van de absorbantie voor de zuiveringsbehandeling met deze na de zuiveringsbehandeling.

Figuur 10: DAS spectra van de verschillende bedrijven

Op de figuur 10 valt op dat de zuiveringsstap niet steeds een verlaging aan UVabsorberende componenten teweeg brengt. Zo is bij de stalen van de bedrijven 1, 2 en 5 de absorbantie gestegen. Bij de stalen waar wel een verwijdering bekomen werd is deze vrijwel verwaarloosbaar t.o.v. de totale absorbantie. Er dient echter te worden beklemtoond dat het om zeer kleine verschillen in absorbantie gaat, en dat de meetonzekerheid significant kan zijn. 4.2.1.1 Opvolging extractie voor kwalitatieve metingen Om de kolom-extractie die op de stalen werd uitgevoerd op te volgen werd van het effluent om de 2,5 L een staal genomen voor UV/Vis en COD-bepaling (sectie x). Op Figuur 11 zijn de UV/Vis spectra van de stalen van bedrijf 3 te zien. Hierop staan de spectra van de stalen voor extractie en die van het effluent na extractie van 2,5 L.

33


1,6 onbehandeld irrigatiewater

1,4

irrigatiewater na actief kool behandeling

Absorbantie

1,2

staal na actief kool, effluent na 2,5 L door hars

1

Onbehandeld staal, effluent na 2,5 L door hars

0,8 0,6 0,4 0,2 0 200

300

400


700

800

Figuur 11: UV/Vis spectra van bedrijf 3 voor en na actieve kool behandeling met het effluent van de kolomextractie na 2,5 L staal over de kolom gebracht.

Δ (onbehandeld staal voor extr. onbehandeld staal na extr.)

Uit figuur 11 kan besloten worden dat voornamelijk de componenten met een absorberend karakter tussen 250 en 310 nm op het hars achterblijven. Verder kan ook afgeleid worden dat de componenten niet integraal door het hars geadsorbeerd worden. Dit aangezien het effluent nog een duidelijk zichtbare afwijking in het spectrum vertoont. Hieruit kan dan geconcludeerd worden dat het meten van de op het hars geadsobeerde componenten geen correct kwantitatief beeld van dit staal kan opleveren. Om op te volgen hoe de samenstelling van het effluent verloopt werden stalen na 2,5; 5 en 7,5 h genomen. Dit om de extractietijd eventueel in te korten indien het extractiehars doorbraak vertoont na een bepaald volume. Hierbij werd eveneens een DAS opgesteld waarbij de spectrum van het effluent van de extractiekolom werd afgetrokken van het spectrum van het influent (Figuur 12; Figuur 13).

0,14 effluent na 2,5 L

0,12 0,1

effluent na 5 L

0,08

effluent na 7,5 L

0,06 0,04 0,02 0 230

380

530

680

golflengte (nm) Figuur 12: DAS spectrum van onbehandeld irrigatiewater (bedrijf 3)

34

Δ(actief kool behandeld staal voor extr .- actief kool behandeld staal na extr.)


0,14 effluent na 2,5 L

0,12

effluent na 5 L

0,1 0,08

effluent na 7,5 L

0,06 0,04 0,02 0 230

380

530

680

golflengte (nm) Figuur 13: DAS spectrum van irrigatiewater na actieve kool behandeling (bedrijf 3)

Zowel figuur 12 als 13 vertoont een verwijdering die geen verband lijkt te hebben met het over de kolom gebrachte volume. Indien het hars verzadigd zou raken na een bepaald volume, zou dit resulteren in een kleinere afwijking op het DAS spectrum. Het spectrum na 7,5 L zou dan op de x-as liggen er is dan geen verschil tussen het influent en het effluent. Dit is echter niet het geval, dit wil zeggen dat na 7,5 L te extraheren het hars nog steeds componenten uit het afvalwater absorbeert. Indien de analysemethode verkort zou worden door minder water over het hars te brengen zouden er minder componenten op het hars aanwezig zijn. Dit zou mogelijk het detecterend vermogen van de meetmethode verzwakken. Verder is op te merken dat naast een verwijdering binnen het verwachte gebied bij lage golflengten er ook een verwijdering lijkt te zijn van 1 of meerdere componenten bij een golflengte van 590 nm. Doordat de resultaten van andere stalen (buiten de piek op 590 nm) analoog zijn worden deze niet in de resultaten en bespreking opgenomen.

4.3 Chemisch zuurstofverbruik (COD) Het chemisch zuurstofverbruik is een maat voor de hoeveelheid organische componenten die zich in een staal bevinden. Door dit van elk staal voor en na actieve kool filtratie te bepalen wordt een beeld geschept van de effectiviteit van de gebruikte behandeling ten aanzien van organische componenten. Hierbij moet opgemerkt worden dat de hoeveelheid organische componenten niet gelijk is aan de hoeveelheid exudaten. Er kunnen eventueel ook organische componenten in het suppletiewater of in de toegevoegde nutriënten aanwezig zijn. De COD waarden van de verschillende stalen wordt weergegeven in figuur 14. Bij het staal PSKW 1 is geen zuivering aanwezig, hierdoor wordt daar slechts 1 waarde weergegeven.

35


800 700

Voor zuivering

600 Na zuivering

COD (ppm O2)

500 400

300 200 100 0 Bedr.1 Bedr.2 Bedr.3 Bedr.4 PSKW 1 PSKW 2 Bedr.5 (substr. (MGS (MGS (MGS (FRS (MGS (MGS Aard.) sla) sla) sla) sla) sla) sla)

Figuur 14: COD waarden van de verschillende stalen met hun 95 % betrouwbaarheidsintervallen Opmerking: het staal van bedrijf 1 werd slechts 1 maal gemeten en heeft hierdoor geen 95 % interval

Uit figuur 14 kan besloten worden dat de stalen uit bedrijf 1 en PSKW 1 met het FRS de hoogste hoeveelheden organische componenten hebben. Dit ligt in de lijn van de verwachtingen aangezien deze 2 stalen de minste zuivering ondergaan. Dit kan deels een verklaring zijn op de vraag waarom het FRS een groeivermindering in de loop van de tijd teweeg brengt. Ook wordt een opmerkelijk hogere COD waarde opgemeten voor het staal na actieve kool filtratie afkomstig van bedrijf 5. Dit resultaat bevestigd het DAS spectrum (Figuur 10) waarin wordt vastgesteld dat er meer UV absorberende componenten in het staal na actieve kool filtratie zit. Algemener kan nu gesteld worden dat de concentratie aan organische componenten gestegen is. Dit zou een gevolg kunnen zijn van het uitspoelen van vaste deeltjes uit de actieve kool filter. De resultaten van de andere bedrijven tonen echter geen significant verschil tussen het irrigatiewater voor en na actieve kool filtratie. Dit impliceert dat de actieve kool behandeling ineffectief is voor het verwijderen van organische koolstof. Er dient echter rekening te worden gehouden met het feit dat de algemene COD waarden van de stalen uit bedrijven met actieve kool filtratie lager liggen dan deze zonder. Dan kan de schijnbare ineffectiviteit van de filtering verklaard worden door een te grote meetonzekerheid of doordat de filters die effectief waren reeds verzadigd waren op het moment van de staalname. Om de uitgevoerde kolomextractie nodig voor een GC/MS meting op te volgen werden naast UV/VIS spectra ook COD metingen opgenomen. Hierbij werd effluent afgenomen na 2,5 en 7,5 L staal over de kolom gebracht te hebben. De resultaten hiervan worden afgebeeld op figuur 15 voor de stalen die geen zuivering ondergaan hebben en op figuur 16 voor de stalen na zuivering. Dit met uitzondering van bedrijf 1 waarvoor geen COD metingen op het effluent van de extractiekolom uitgevoerd werden.

36


800 700 COD (ppm O2)

600

effluent na 2,5 L effluent na 7,5 L

500 400 300 200 100 0 Bedr.2 Bedr.3 Bedr.4 PSKW 1 PSKW 2 Bedr.5 (MGS (MGS (MGS (FRS sla) (MGS (MGS sla) sla) sla) sla) sla)

Figuur 15: COD waarden van het effluent van de stalen voor zuivering na 2,5 en 7,5 L over de extractiekolom te hebben gebracht

800

COD (ppm O2)

700 600

effluent na 2,5 L effluent na 7,5 L

500 400 300 200 100 0 Bedr.2 Bedr.3 Bedr.4 PSKW 2 Bedr.5 (MGS sla) (MGS sla) (MGS sla) (MGS sla) (MGS sla)

Figuur 16: COD waarden van het effluent van de stalen na zuivering na 2,5 en 7,5 L over de extractiekolom te hebben gebracht

De figuren 15 en 16 tonen aan dat er voor geen enkel staal, met uitzondering van PSKW1, een doorbraak van de extractiekolom is. Dit doordat er geen significant verschil is tussen de COD waarde van het effluent na 2,5 en na 7,5 L. De aanwezigheid van een doorbraak bij het staal afkomstig van PSKW1 kan verklaard worden door de aanwezigheid van een grotere concentratie aan organische stoffen in het staal (Figuur 14).

37


4.4 Karakterisering van wortelexudaten via GC/MS Na het desorberen, fractioneren en derivatiseren (sectie 3.2.2) van de verschillende stalen, werden deze via GC/MS geanalyseerd. Hierbij werden de relevante componenten van de stalen voor en na zuivering getabelleerd. Onder relevante componenten worden de carboxylzuren, alcoholen, aromaten, aminozuren en eiwitten beschouwd. Enkel de stalen afkomstig uit de zure fractie (pH 2; sectie Fout! Verwijzingsbron niet gevonden.) werden volledig geanalyseerd. Dit doordat zich in deze fase de meeste exudaatgerelateerde stoffen bevinden (Lee et al. 2006). Hierbij worden enkel de stoffen die relevant zijn in de context van wortelexudaten weergegeven (bepaald volgens sectie 2.1.4). Dit wil tevens zeggen dat stoffen zoals siloxanen (afkomstig van de GC-kolom) en gebutyleerd hydroxytolueen (stabilisator di-ethylether) niet worden gerapporteerd.

4.4.1 Bedrijf 1 (aardbeien op substraat) De beschreven stoffen voor aardbeien zijn: melkzuur, benzoëzuur, barnsteenzuur, adipinezuur en p-hydroxybenzoëzuur. Tabel 8 geeft aan dat er voor zuivering er geen van de te verwachten exudaten in het waterstaal voor gedetecteerd werden. Er worden echter veel niet eerder toegewezen stoffen geïdentificeerd. Dit kan verklaard worden door de aard van de stalen. Het onderzoek naar wortelexudaten liep tot nu toe steeds op laboschaal over relatief korte termijn. De werkelijke omstandigheden zijn veel complexer met meer planten en invloeden van buitenaf. Zo is er bijvoorbeeld het toegevoegde hemelwater en de toegevoegde insecticide –en herbiciden die een andere microbiële activiteit teweeg kan brengen. Dit brengt dan weer het uitscheiden van andere exudaten met zich mee. Hierbij valt op dat er veel vetzuren in het waterstaal aanwezig zijn, deze worden in de literatuur beschreven als groeiregulatoren en kunnen dus mogelijk een autotoxisch potentieel hebben. Verder bevat het staal ook enkele difenolen (catechol en resorcinol). Over catechol is reeds bekend dat bij contact met lucht benzoquinone gevormd wordt, deze vertoont een antibacteriële werking (Meerungrueang & Panichayupakaranant 2014). Kaneelzuur speelt mogelijk eveneens een grote rol in dit staal, uit studies is immers gebleken dat dit zuur een inhibitie teweeg brengt bij de groei van de komkommer (Weiguang et al. 2002). Ook bij sla heeft deze stof een inhiberende werking. Het spectrum van de GC/MS meting na snelle zandfiltratie en UV behandeling bevat meer in de literatuur beschreven stoffen (Tabel 8). Zo bevat het staal melkzuur en barnsteenzuuranhydride. Dit anhydride kan gevormd zijn door de warmte-energie die toegevoegd werd voor het uitdampen van het staal. De meeste vetzuren die voor zuivering voorkwamen blijven echter nog in het staal aanwezig. Er kan immers wel vastgesteld worden dat de difenolen na zuivering niet meer gedetecteerd worden. Dit kan eventueel een gevolg zijn van de toegepaste UV behandeling.

38


Tabel 8: gedetecteerde stoffen (via Nist 98.1) met relevantie t.o.v. autotoxiciteit bij aardbeien met links stalen voor zuivering en rechts na zuivering via snelle zandfiltratie en UV-behandeling (grijs gearceerde componenten zijn voor beide stalen gemeenschappelijk) RT (min.)

component (IUPAC + triviale naam)

%

RT (min.)


%

5.23

propaandizuur (= malonzuur)

0.02

5.07

(2S)-2-hydroxypropaanzuur (= melkzuur)

0.26

5.36

octaanzuur (= caprylzuur)

0.01

6.13

ethaan-1,2-diol (= ethyleen glycol)

0.54

7.58


0.06

6.5

3-Methoxyestra-1,3,5(10),15-tetrene-17-one

0.55

8.39

benzeen-1,2-diol (= catechol)

0.16

7.14

4α,5-dimethyl-1,2,3,4, 4α,5,6,7-octahydro-7-keto-3isopropenylnaftaleen (= nootkaton)

0.03

9.44

benzeen-1,3-diol (= resorcinol)

0.14

7.27

oxolaan-2,5-dion (barnsteenzuuranhydride)

0.08

10.5

(E)-3-fenyl-2-propeenzuur (= kaneelzuur)

0.26

7.58


0.02

14.73

Tridecaanzuur

0.57

7.81

propaan-1,2,3-triol (= Glycerol)

0.06

14.89

3-(4-hydroxy-3-methoxyfenyl)prop-2-eenzuur (= ferulazuur)

0.47

8.49

2-Oxopentaanzuur

0.03

15.03

3-(4-hydroxyfenyl)propionzuur

0.54

8.66

2,5-dimethoxy-2-hydroxy-2-fenylethaanzuur (= 2,5dimethoxy amandelzuur)

0.56

15.56

benzeen-1,4-dicarbonzuur (= tereftaalzuur)

0.44

10.43

(2R,3S,4S)-2,3,4,5-tetrahydroxypentanal (= arabinose)

0.17

16.45

tetradecaanzuur (= myristinezuur)

0.61

14.11

S-2-amino-3-hydroxypropaanzuur (= serine)

0.01

17.68

Pentadecaanzuur

0.66

15.03

3-(4-hydroxyfenyl)propionzuur

0.03

18.18

Tridecaanzuur

0.82

15.56

benzeen-1,4-dicarbonzuur (= tereftaalzuur)

0.06

19.27

hexadecaanzuur (= palmitinezuur)

0.41

15.61

nonaandizuur (= Azelaïnezuur)

0.04

19.46

9-t-hexadecaanzuur

0.64

16.44


0.12

19.92


1.06

19.46

9-t-hexadecaanzuur

0.09

20.82

methyl cis-6-octadecanoaat

0.96

19.9


0.44

21.61

heptadecaanzuur (= margarinezuur)

1.56

21.6


0.02

22.76

(Z,Z)-octadeca-9,12-diëenzuur (= linolzuur)

0.5

21.81


0.03

22.84

Z-9-octadeceenzuur (= oliezuur)

1.09

22.83


0.10

22.96


0.57

23.27

octadecaanzuur (= stearinezuur)

0.15

23.27


1.18

27.21

10,13-dimethyl-17-(6-methylheptan-2-yl)2,3,4,7,8,9,11,12,14,15,16,17-dodecahydro-1Hcyclopentafenantren-3-ol (= cholesterol)

0.15

39


4.4.2 GC/MS spectra van drainwater uit slateelt Omtrent sla zijn in de literatuur de volgende stoffen omschreven: melkzuur, barnsteenzuur, adipine, palmitine, stearine, laurine, benzoëzuur, fenylazijnzuur, kaneelzuur, p- hydroxybenzoëzuur, ftaalzuur en vanillinezuur (Lee et al. 2006; Asao et al. 2004). Er gaat bij het analyseren van de GC/MS spectra dan ook extra aandacht uit naar de aanwezigheid van deze componenten. Andere relevante componenten (sectie 2.1.4) worden eveneens besproken. Hierbij werden olefinen buiten beschouwing gelaten omdat deze geen bewezen autotoxisch effect hebben bij sla.

4.4.2.1 Bedrijf 2 (MGS) Van de in de literatuur beschreven stoffen wordt in dit staal voor AK filtratie: melkzuur, barnsteenzuur, palmitinezuur, stearinezuur, benzoëzuur en vanillinezuur teruggevonden. Van palmitinezuur en stearine worden ook esters teruggevonden (RT: 26,62; 27,94), deze esters zijn wellicht gevormd bij het aanzuren van het staal of in de fractionering waarbij de pH tot 2 werd verlaagd. Rekening houdend met de negatieve effecten die stearinezuur reeds bij lage concentraties teweeg brengt kan dit grote gevolgen hebben voor de groei van de sla. Ook is vanillinezuur in het staal aanwezig, een beschreven exudaat met grote averse effecten. Het myristinezuur kan eveneens een belangrijke rol spelen aangezien deze voor groei-inhibitie bij de komkommer verantwoordelijk is (Liu et al. 2007). Zoals in het staal afkomstig uit het slabedrijf (Sectie 4.4.1) wordt ook hier catechol resorcinol maar ook hydrochinon teruggevonden, de geoxideerde vorm van deze stoffen hebben een antibacteriële werking. Deze stoffen kunnen dus gunstig zijn voor de plant. Bij analyse van het staal na actieve kool filtratie (Tabel 9) kan een opvallende verschuiving in samenstelling waargenomen worden. Zo is de procentuele bijdrage van benzoëzuur opvallend gestegen (van 0,14 naar 4,1 %). Eveneens wordt waargenomen dat het aandeel aan voornamelijk myristinezuur en ook palmitine en stearinezuur afneemt. Dit zou verklaard kunnen worden doordat de micro-organismen die in de actieve kool-filter aanwezig zijn, de vetzuren beter kunnen afbreken dan het benzoëzuur. Bovendien wordt hier geen vanillinezuur meer waargenomen en zou deze behandeling dus een positief effect op de groei kunnen hebben. De componenten catechol en resorcinol worden na zuivering nog steeds gedetecteerd.

40


Tabel 9: gedetecteerde stoffen (via Nist 98.1) met relevantie t.o.v. autotoxiciteit bij sla met links stalen voor zuivering en rechts na zuivering via AK filtratie (grijs gearceerde componenten zijn voor beide stalen gemeenschappelijk) RT (min.)


4.39

propaan-1,2-diol (= propyleenglycol)

%

RT (min.)

0.02

4.45

component (IUPAC + triviale naam) crotonic acid

% 0.01

5.04

(2S)-2-hydroxypropaanzuur (=melkzuur)

0.27

5.04


0.59

5.19

2-hydroxyethaanzuur (= glycolzuur)

0.07

5.2


0.07

5.36

2-oxopropaanzuur (= pyrodruivenzuur)

0.02

5.36


0.04

5.84

oxoethaanzuur (= glyoxylzuur)

0.04

5.67


0.01

6.2

fenylmethanol (= benzylalcohol)

0.01

6.2


0.06

6.26

3-hydroxyboterzuur

0.01

7.49

benzeencarbonzuur (= benzoëzuur)

4.10

6.89

3-oxobutaanzuur (= acetoazijnzuur)

0.01

8.3

1,4-butaandizuur (= barnsteenzuur)

0.04

7.41


0.14

8.43

1,2-dihydroxybenzeen (= catechol)

0.53

7.81

propaan-1,2,3-triol (= glycerol)

0.31

8.7

2-buteendizuur (= fumaarzuur)

0.05

8.28


0.02

8.86

nonaanzuur (= pelargoonzuur)

0.10

8.41


0.5

9.1

4-hydroxybenzaldehyde

0.01

8.69


0.03

9.47

benzeen-1,3-diol (= resorcinol)

0.18

8.84


0.02

9.63

decaandizuur (= sebacinezuur)

0.05

9.19

1,3-dihydroxybenzeen (= resorcinol)

0.02

10.16

decaanzuur (= caprinezuur)

0.09

9.46

1,4-dihydroxybenzeen (hydrochinon)

0.17

14.1

benzeen-1,2-dicarbonzuur (= ftaalzuur)

0.25

9.76

Fenoxyazijnzuur

0.02

16.15

9-tetradeceenzuur

0.07

10.15


0.06

16.24

3,4-dihydroxybenzoëzuur

0.23

10.42

2,4-cyclohexadieen-1,4-dion

0.07

16.59


0.99

11.28

5-oxopyrrolidine-2-carboxylzuur (= 5-oxoproline)

0.12

17.86


0.25

14.32

methyl 12-methyltridecanoaat

0.05

19.61

9-t-hexadecaanzuur

0.76

15.17

4-Hydroxy-3-methoxybenzoëzuur (= vanillinezuur)

0.03

20.19


4.08 0.01

16.11

9-tetradeceenzuur

0.04

20.39

3,4-bis(hydroxy)-5-(hydroxy)oxolan-2-on (= arabiononic acid , 1,4 lacton)

16.2


0.15

20.58

methyl octadeca-9,12-dienoate (= methyl ester linolzuur)

0.05

16.67


7.19

20.98

methyl(Z)-octadec-9-eenoaat (= methyl ester oliezuur)

0.12

17.85

methylhexadecanoaat (= methylpalmitaat)

0.58

21.27


0.16

19.34


0.04

21.38

methyl-14-methylheptadecanoaat

0.09

19.55

9-t-hexadecaanzuur

0.45

21.72


0.12

20.17


10.33

22.89


0.25

21.35

Methylisostearaat

0.16

23.04


1.53

21.69


0.17

23.11

(E)-octadec-11-eenzuur (vacceenzuur)

0.21

22.94


0.76

23.58


4.11

23.58


9.11

23.84

beta.-sitosterol

0.37

24.5

3,4-bis(hydroxy)-5-(hydroxy)oxolan-2-on (= arabiononic acid , 1,4 lacton)

0.16

25.12

Abieta-8(14),9(11),12-trien-18-oic acid (= abietinezuur)

0.72

24.75

methyl ester van abietinezuur

0.19

25.49

n-eicosaanzuur (= arachidinezuur)

0.7

25.1

Abieta-8(14),9(11),12-trien-18-oic acid (= abietinezuur)

0.42

25.2

1,3-Dihydroxy-2-propanylmyristaat (= glyceryl monomyristaat)

0.97

25.42


0.43

26.62

2,3-dihydroxypropylhexadecanoaat (= 1-monopalmitine)

3.78

27.94

1,3-dihydroxypropaan-2-yl octadecanoate (= 2monostearine)

1.01

41

26.69

2,3-dihydroxypropylhexadecanoaat (= 1-Monopalmitine)

1.01


4.4.2.2 Bedrijf 3 (MGS) Opvallende stoffen in het staal voor AK zuivering zijn: benzoëzuur, barnsteenzuur stearinezuur en zijn ester, palmitinezuur en zijn ester en myristinezuur (Tabel 10). Zoals reeds vermeld heeft deze laatste stof een toxische werking bij kiemen van komkommer (Liu et al. 2007) en dient de schadelijkheid bij sla dus onderzocht te worden. Ook is in dit staal kaneelzuur aanwezig, deze stof heeft een inhiberende werking op de groei van sla. Een wederkerende trend lijkt de aanwezigheid van catechol en resorcinol, deze stoffen zijn immers net als bij bedrijf 1 en 2 in het drainwater aanwezig. Na AK zuivering (Tabel 10) is de procentuele aanwezigheid van benzoëzuur gestegen. De aanwezigheid palmitinezuur en mysterinezuur lijkt te zijn gedaald tot respectievelijk 2,66 % en 1,44 % (waarden inclusief esters). Dit terwijl de procentuele aanwezigheid van stearinezuur en zijn esters zijn gestegen tot 9,03 %. Kaneelzuur, barnsteenzuur en catechol zijn hierbij nog steeds aanwezig.

42




%

RT (min.)


%

4.38

Propylene glycol

0.01

4.84

fenol

0.13

4.46

3,3-Dimethylacrylic acid

0.01

4.99

fenol

0.49

4.99

Fenol

0.26

6.18


0.69

5.06


0.68

7.46


5.10

5.21


0.05

7.64


1.54

5.38


0.07

7.76


0.65

5.97

2-Methylpropaanzuur

0.07

8.18

Benzeneacetic acid

0.01

6.23


0.26

8.34


0.03

6.98

3-oxobutaanzuur (= acetoazijnzuur)

0.02

8.47


0.30

7.49


4.23

9.16

4-Hydroxybenzaldehyde

0.04

7.73


0.41

10.6


0.32

7.77


0.26

16.27


0.14

7.9


0.5

16.57


0.37

8.34


0.03

17.47


0.46

8.47


0.32

17.86

methyl 13-methylpentadecanoate

0.07

8.73


0.06

19.59

9-t-hexadecaanzuur

0.26

8.89


0.02

19.67

9-t-hexadecaanzuur

0.18

9.5

1,3-dihydroxybenzeen (= resorcinol)

0.18

20.12


1.79

10.59


0.13

21.28


0.20

11.24

Ethyl phenylglycinate

0.13

21.94

Methyl-2-hydroxystearaat

0.22

14.39

Methyl isotetradecanoate

0.1

23.02


0.80

16.28


0.12

23.52


1.88

16.67


1.92

24.98

(Z)-Octa-9-decenamide

1.8

16.99

Cyclopropanenonanoicacid, 2-[(2butylcyclopropyl)methyl]-, methyl ester

0.06

25.22

17.45


0.18

26.4

17.9

Methyl palmitate

0.27

26.65

2,3-dihydroxypropyl octadecanoate (= 1-monostearine)

2.32

19.6

9-t-hexadecaanzuur

0.28

26.75


0.33 1.45 3.05

1,3-Dihydroxy-2-propanylmyristaat (= glyceryl monomyristaat) 1,3-dihydroxypropaan-2- hexadecanoaat (= 2monopalmitine)

20.2


2.93

28.02


21.43

methyl 14-methylheptadecanoate

0.36

28.38


22.77

4,4-Difluororetinoic acid

0.24

23.02


0.77

23.61


3.38

26.65

2,3-dihydroxypropylhexadecanoaat (= 1-monopalmitine)

1.52

28.39


1.48

43

1.07 0.87


4.4.2.3 Bedrijf 4 (MGS) Het staal afkomstig van bedrijf 4 (Tabel 11) bevat zowel voor als na zuivering benzoëzuur. De verhouding van benzoëzuur ten opzichte van andere stoffen in het staal lijkt hierbij niet te zijn veranderd. Andere gedetecteerde stoffen in het staal voor zuivering die ook in de literatuur voor sla (Sectie 2.1.5) beschreven worden zijn: melkzuur, kaneelzuur, ftaalzuur, palmitinezuur, stearinezuur en barnsteenzuur. Na zuivering zijn dezelfde stoffen terug te vinden met uitzondering van kaneelzuur en de bijkomende stof vanilline. Deze laatste is de gereduceerde vorm van vanillinezuur, een stof met een reeds een sterk autotoxisch effect bij 25 µmol/L. Van de gedetecteerde beschreven stoffen zijn melkzuur en barnsteenzuur het minst schadelijk. Melkzuur vertoont geen toxisch effect bij 400 µmol/L en barnsteenzuur vertoont pas toxische effecten boven 100 µmol/L. Verder lijken ook de proporties tussen de verschillende stoffen te zijn veranderd. Hierbij vertonen stearinezuur en palmitinezuur een grotere procentuele aanwezigheid na zuivering, dit indiceert dat de gebruikte AK filtratie minder effectief was voor palmitine –en stearinezuur. Dit is in tegenstrijd met de bekomen resultaten bij bedrijf 2 waarbij procentuele hoeveelheid palmitine en stearinezuur afneemt na zuivering. Zoals bij bedrijf 3 werd ook hier zowel voor als na zuivering myristinezuur teruggevonden, dit toont aan dat verder onderzoek naar deze stof nodig is.

44




%

RT (min.)


%

5.01

Fenol

0.25

6.12


0.05

5.07


0.38

7.4


2.15

5.21


0.03

7.56


0.09

5.38


0.03

8.04

4-(1-Methylethyl)benzaldehyde (= cuminaldehyde)

0.01

5.75

2-amino-ethaanzuur (= glycine)

0.01

8.38


0.04

5.86

oxoethaanzuur (= glyoxylzuur),

0.01

8.84


0.18

6.22


0.07

9.63

diethyl sebacaat

0.07

6.27

4-Hydroxybutaanzuur

0.01

10.16


0.16

7.5


2.08

10.52


0.11

7.83


0.15

11.42

4-hydroxy-3-methoxybenzaldehyde (= Vanilline)

0.01

8.29


0.03

13.14

dodecaanzuur (= laurinezuur)

0.53

8.41


0.08

13.37

benzylbenzoaat

0.06

8.71


0.05

15.58


0.04

8.77

2-Methylbenzoëzuur

0.03

16.06


0.06

8.86


0.03

16.1


0.03

9.11


0.03

16.17


0.07

9.47

benzeen-1,4-diol

0.09

16.37


0.21

10.21


0.12

16.68


13.59

14.06


0.08

16.79


3.61

16.14

9-tetradeceenzuur

0.07

17.86

Methyl palmitaat

0.40

16.24


0.19

19.54

9-t-hexadecaanzuur

0.36

16.56


0.43

19.62


0.15

17.85


0.15

19.88


0.38

19.57

9-t-hexadecaanzuur

0.33

20.21


13.03

20.11


1.8

20.93

methyl(Z)-octadec-9-eenoaat (= methyl ester oliezuur)

0.04

20.55

Hexadecadienoic acid,methyl ester

0.19

21.34

methyloctanoaat (= methyl ester van stearinezuur)

0.09

21.25


0.31

21.68


0.11

21.71


0.27

22.76


0.17

21.91


0.28

22.85


0.55

22.88

22,76 (Z,Z)-octadeca-9,12-diëenzuur (= linolzuur)

0.37

22.96


1.06

22.99


0.79

23.03


0.1

23.09

(6Z)-Octadec-6-eenzuur (= petroselinezuur)

0.19

23.11


0.14

23.12

(E)-octadec-11-eenzuur (vacceenzuur)

0.07

23.59


11.44

23.48


1.99

25.4


0.87

26.63


2.73

26.61


2.56

26.74


0.43

26.89

docosaanzuur (= beheenzuur)

0.66


0.9

27.98

2,3-dihydroxypropyloctadecanoaat (= 1-monostearine)

1.36

27.95

28.36


3.32

28.12


0.32

28.49


0.51

28.34


3.9

45


4.4.2.4 PSKW1 (FRS) Doordat een vermindering in groei waargenomen werd en dit verklaard zou kunnen worden door een accumulatie van exudaten gaat extra aandacht uit naar dit staal. Eerder werd reeds waargenomen dat er een dat er een grotere hoeveelheid organische koolstof in dit staal aanwezig is (sectie 4.3). De relatieve verhouding aan componenten zou dus een antwoord kunnen bieden op de vraag waar deze groeivermindering zijn oorsprong vindt. Opvallende die zich in het staal (Tabel 12) bevinden zijn: melkzuur, benzoëzuur, myristinezuur, palmitinezuur, oliezuur, stearinezuur en beta-sitosterol. Deze laatste is en plantensterol en wordt bij mangrove planten in verband gebracht met een aanpassing aan hoge zoutgehaltes (Kristensen et al. 2008). De uitgevoerde geleidbaarheids metingen geven echter geen uitzonderlijk hoge zoutgehaltes aan. Ook myristinezuur is in het staal aanwezig, deze veroorzaakt net zoals myristinezuur een inhibitie bij het kiemen van komkommer (Liu et al. 2007). Deze stoffen werden echter niet eerder bij sla vastgesteld of onder de vorm van een bioassay getest. Het autotoxisch potentieel van deze stof is dan ook nog onbekend. Een eenduidige oorzaak voor de verminderde groei kan dus met de beschikbare kennis niet toegewezen worden.

46


Tabel 12:gedetecteerde stoffen (via Nist 98.1) met relevantie t.o.v. autotoxiciteit bij sla (grijs gearceerde componenten zijn voor beide stalen gemeenschappelijk) RT (min.) 5


%

Fenol

0.08

5.06


0.49

5.15


0.01

5.21


0.06

5.38


0.07

5.85


0.01

6.17

4-methylfenol (= paracresol)

0.03

6.21


0.07

7.48


1.35

7.59

Octanoic acid (= octaanzuur (= caprylzuur))

0.07

7.82


0.08

8.73


0.04

8.78

2-methylbenzoëzuur

0.02

8.87


0.11

9.14


0.03

9.49

benzeen-1,4-diol

0.08

11.45


0.01

16.55


0.52

17.85


0.18

18.26

pentadecaanzuur

0.16

19.63

9-t-hexadecaanzuur

0.44

20.1


2.45

21.41

methyloctanoaat (= methyl ester van stearinezuur)

0.2

21.73


0.13

23.01


0.55

23.11


0.24

23.49


1.78

23.87

17-(5-ethyl-6-methyl-heptan-2-yl)-10,13-dimethyl 2,3,4,7,8,9,11,12,14,15,16,17-dodecahydro -1Hcyclopenta[a]phenanthren-3-ol (= beta.-sitosterol)

1.67

26.66


2.27

4.4.2.5 PSKW 2 (MGS) Door verlies van extractvloeistof bij het staal voor zuivering bij PSKW 2 worden bij dit staal minder componenten gedetecteerd (Tabel 13). Desalniettemin werden volgende in de literatuur beschreven componenten teruggevonden: melkzuur, benzoëzuur, palmitinezuur en stearinezuur. Verder werd ook myristinezuur gedetecteerd. Na zuivering werden dezelfde stoffen met bijkomend, barnsteenzuur, kaneelzuur, ftaalzuur en adipinezuur teruggevonden. Aan de hand van informatie uit de literatuurstudie hebben zowel melkzuur als adipinezuur geen toxisch effect onder 400 µmol/L.

47



%

RT (min.)


0.31

5.06


0.20

6.83


0.01

5.22


0.02

7.41


0.3

5.38


0.03

8.39


0.15

5.75

2-amino-ethaanzuur (= glycine)

0.01

8.85


0.02

5.87


0.01

5



%

9.46

benzeen-1,4-diol

0.04

6.06

3-Hydroxypropaanzuur

0.02

16.39


0.02

6.22


0.07

16.48


0.38

6.28

4-Hydroxybutaanzuur

0.01

19.5

9-t-hexadecaanzuur

0.17

6.85

propaandizuur (= malonzuur)

0.01

19.62


0.12

7.49


1.33

19.83


0.28

7.85


0.85

20.01


3.26

8.28


0.08

22.88


0.64

8.41


0.16

23.17


0.2

8.86


0.06

23.38


3.44

8.96

fenoxyethanol

0.22

26.34

1,3-dihydroxypropaan-2- hexadecanoaat (= 2monopalmitine)

4.96

9.11


0.05

26.62


7.92

9.47

benzeen-1,4-diol

0.08

27.95


1.72

10.19


0.16

28.34


8.13

10.55


0.13

14.03


0.11

16.13

9-tetradeceenzuur

0.14

16.22


0.27

48

16.6


1.26

17.61


0.24

18.71

(2R,3R,4R,5S)-hexaan-1,2,3,4,5,6-hexol (= sorbitol)

0.39

19.58

9-t-hexadecaanzuur

0.62

20.2


4.32

21.26


0.55

21.36

methyl-14-methylheptadecanoaat

0.34

21.71


0.65

22.88


0.39

23


1.17

23.6


4.61

25.14

hexaan-1,6-dizuur (= adipinezuur)

1.22

25.2


0.9

25.43


0.75

26.64


3.86

27.02

3,5-dimethoxy-2-hydroxy-2-fenylethaanzuur (= 3,5dimethoxy amandelzuur)

0.44

28.41


4.12


4.4.2.6 Bedrijf 5 Het staal zonder zuivering (Tabel 14) bevat de volgende in de literatuur beschreven stoffen: melkzuur, benzoëzuur, barnsteenzuur, kaneelzuur, adipinezuur, ftaalzuur en stearinezuur. Palmitine is hierbij enkel onder estervorm terug te vinden. Ook is vanilline, de gereduceerde vorm van vanillinezuur, aanwezig. Deze laatste vertoont heel grote autotoxische effecten op sla (Sectie 2.1.5). Na zuivering worden dezelfde stoffen gedetecteerd met uitzondering van kaneelzuur en vanilline. Deze verwijdering kan dus een gunstig effect hebben op de plantengroei. Verder lijken de procentuele bijdragen van palmitine en stearine na zuivering gestegen te zijn.

49




%

RT (min.)


%

4.31

ethylene glycol

0.04

5.08


0.45

5.09


0.84

5.24


0.04

5.23


0.08

5.4


0.02

5.39


0.04

7.45


1.12

5.87


0.01

7.59


0.02

6.23


0.01

7.82


0.33

7.18


0.04

8.22

3-Hydroxyhexaanzuur

0.09

7.47


2.83

8.28


0.03

8.28


0.07

8.4


0.10

8.4


0.12

8.85


0.03

8.45


0.04

9.1


0.02

8.81

2-methylideenbutaandizuur (= methyleenbarnsteenzuur)

0.03

9.46

benzeen-1,4-diol

0.07

8.85


0.05

10.15


0.03

8.96

Fenoxyethanol

0.19

10.95


0.02

9.1


0.04

11.41

N-(4-Methoxyphenyl)-2-hydroxyimino-acetamide

0.02

9.46

benzeen-1,4-diol,

0.11

13.24

3-Hydroxyhexaanzuur

0.18

9.63

diethyl sebacaat

0.07

13.96


0.07

10.15


0.04

14


0.12

10.18


0.05

16.1

9-tetradeceenzuur

0.01

10.91


0.04

16.2


0.08

11.41


0.03

17.37


0.16

13.99


0.08

17.8


0.17

16.2


0.19

19.52

9-t-hexadecaanzuur

0.22

17.38


0.36

19.6

9-t-hexadecaanzuur

0.07

17.57

4-Hydroxy-3,5-dimethoxybenzoëzuur

0.06

20.09


6.4

17.81


0.19

21.2


0.07

19.53

9-t-hexadecaanzuur

0.39

21.66


0.07

19.62

9-t-hexadecaanzuur

0.26

22.82


0.27

20.38

Aceglutamide

0.02

22.91


0.69

20.89

methyl-7-octadecenoaat

0.05

23.02


0.29

21.2


0.13

23.47


7

21.66


0.08

26.62


5.27

21.87


0.07

28.34

2,3-dihydroxypropyl octadecanoate (= 1-monostearine)e

5.64

22.83


0.27

22.93


0.77

23.03


0.22

23.43


3.36

25.41


0.92

26.64


6.17

28.35


6.19

50


4.4.3 Kolomtest op het staal van bedrijf 6 (sla MGS) Het staal zonder enige vorm van zuivering (Tabel 15) geeft een beeld omtrent de mate van initiële vervuiling en kan gebruikt worden als standaard om effluenten na zuivering mee te vergelijken. Dit staal bevat de volgende in de literatuur omschreven componenten: benzoëzuur, kaneelzuur, palmitinezuur, stearinezuur, barnsteenzuur, melkzuur en adipinezuur. De meest autotoxische stof hierbij is stearinezuur. Het staal uit het effluent van de kolomtest na 8 L (22,4 bedvolumes) over de actieve kool kolom te hebben gebracht schept een beeld in welke mate componenten op het actieve kool geadsorbeerd blijven. Hierbij werd het drainwater met een voorgeschreven verblijftijd van 30 minuten over de kolom gebracht. Alhoewel het duidelijk is dat minder componenten gedetecteerd worden, valt op dat er nog steeds melkzuur, palmitinezuur en stearinezuur in het staal aanwezig zijn. Eveneens wordt laurinezuur gedetecteerd waarbij in het voorgaande staal enkel het ester van laurinezuur isopropyldodecanoaat gedetecteerd werd.

51




%

RT (min.)


%

5.07


0.29

5.02


0.13

5.22


0.06

5.23


0.04

5.39


0.02

6.23


0.04

5.88

3-Hydroxyisovaleric acid of 2-Hydroxyvaleric acid

0.02

6.28

4-Hydroxybutanoic acid

0.01

6.22


0.05

7.44


0.39

6.27

3-Hydroxybutaanzuur

0.02

7.59


0.1

7.43


0.33

8.86


0.24

7.53

1,3-bis(1,1-Dimethylethyl)benzeen

0.01

10.56

Benzoquinone, 2,6-di-(1,1-dimethylethyl)

0.48

7.59


0.09

10.84

1-Methyl-2-(2'-methylphenyl)benzene

0.1

8.28


0.11

13.16

dodecaanzuur (= laurinezuur)

0.92

8.86


0.23

20.25


8.76

9.54

benzeen-1,4-diol

0.03

20.35


6.35

10.56


0.24

21.24


0.05

10.61

Dihydrocoumarin, 4,4,5,7,8-pentamethyl

0.33

21.69


0.18

10.99


0.22

23.01


1.06

11.28

5-oxopyrrolidine-2-carboxylzuur (= 5-oxoproline)

0.25

23.77


15.46

12.77

Isopropyl dodecanoaat

0.09

24.95

2,3-dihydroxypropyltetradecanoaat (= 2-monomyristine)

0.44

16.27


0.15

25.42


0.59

19.7

9-t-hexadecaanzuur

0.34

26.66


6.21

19.88

(2E,4E,6E,8E)-3,7-dimethyl-9-(2,6,6-trimethylcyclohexen1-yl)nona-2,4,6, 8-tetraeenzuur (retinolzuur)

0.42

27.94


0.97

20.24


8.31

28.43


7.07

21.27


0.18

21.52

Octadec-9Z-enol

0.62

22.9


0.49

23.04


1.19

23.55


4.71

24.46 24.98

(1R,4aR,4bS,7S,10aR)-1,4a,7-Trimethyl-7-vinyl3,4,4b,5,6,9,10,10a-octahydro-2H-fenanthreen-1carboxylzuur (=Pimaric acid) 3-(4-hydroxy-3,5-dimethoxyfenyl)prop-2-eenzuur (= sinapinezuur)

0.39 0.46

25.11

Abieta-8(14),9(11),12-trien-18-oic acid (= abietinezuur) (resin acid)

1.52

25.41


0.48

52


4.4.4 Algemene conclusie omtrent de kwalitatieve analyse van het drainwater Algemeen kan uit het kwalitatief analyseren van de stalen besloten worden dat palmitinezuur en stearinezuur steeds aanwezig zijn, zelfs na zuivering. Door de aard van de analyse kan eventuele partiële verwijdering echter niet gemeten worden. Verder onderzoek is hierbij aangewezen. Stearinezuur is immers één van de belangrijkste groeiremmende factoren bij sla. Om de effectiviteit van de AK filter voor deze stof te kunnen bepalen is kwantitatief onderzoek noodzakelijk. Van de in de literatuur beschreven stoffen wordt vanillinezuur slechts 1 maal teruggevonden bedrijf 2 voor zuivering. Deze stof is samen met stearinezuur de meest autotoxische van alle reeds beschreven exudaten in de slateelt. De AK filter bleek hier effectief te zijn aangezien de stof na zuivering niet langer gedetecteerd werd. Melkzuur wordt in alle stalen met uitzondering van bedrijf 1 en bedrijf 3 na zuivering teruggevonden. Adipinezuur wordt in de stalen PSKW 2 na zuivering, bedrijf 5 voor en na zuivering en bedrijf 6 voor zuivering teruggevonden. Melkzuur en adipinezuur vertonen volgens de literatuur echter geen autotoxische effecten. Hierdoor is hun aanwezigheid in de stalen minder belangrijk in het kader van dit onderzoek. Laurinezuur wordt enkel in bedrijf 4 en bedrijf 6 voor (estervorm) en na zuivering teruggevonden. Benzoëzuur wordt in elk staal met uitzondering van bedrijf 1 voor en na zuivering vastgesteld. Fenylazijnzuur, een beschreven wortelexudaat met autotoxische werking wordt in geen enkel staal teruggevonden. Kaneelzuur wordt enkel bij bedrijf 1 voor en bedrijf 3 voor en na zuivering vastgesteld. P-hydroxybenzoëzuur wordt in geen enkel staal teruggevonden. Ftaalzuur wordt in bedrijf 2 na zuivering, bedrijf 4 voor zuivering, bedrijf 5 voor en na zuivering en in PSKW 2 na zuivering teruggevonden. Barnsteenzuur wordt bij bedrijf 1 na, bedrijf 2 voor en na, bedrijf 3 voor en na, bedrijf 4 voor, PSKW2 na, bedrijf 5 voor en na en bedrijf 6 voor zuivering teruggevonden. Deze bevindingen worden samengevat in tabel 16. Tabel 16: samenvattende tabel met de gedetecteerde componenten die omschreven staan in de literatuur. Wit: gedetecteerd, lichtgrijs: enkel het ester vastgesteld, donkergrijs: niet gedetecteerd

Staal component melkzuur barnsteenzuur adipinezuur palmitinezuur stearinezuur laurinezuur benzoëzuur ftaalzuur kaneelzuur vanillinezuur

53

Bedrijf 1 Vr. Na

Bedrijf 2 Vr. Na

Bedrijf 3 Vr. Na

Bedrijf 4 Vr. Na

Bedrijf 5 Vr. Na

PSKW1

PSKW2 Vr.

Na

Bedrijf 6 Vr. Na


Er kan geconcludeerd worden dat het onderzoek op laboschaal, zoals in de literatuur beschreven, slechts een deel van de realiteit op grote schaal weergeeft. Zo wordt er geen rekening gehouden met de microbiële activiteit die zich in een werkelijk irrigatiewater bevind. Eveneens zijn er in de realiteit buffertanks waarin vaste partikels en microorganismen kunnen accumuleren die al dan niet interfereren met de gevormde exudaten. Het actieve kool blijkt volgens de uitgevoerde kolomtest niet efficiënt genoeg om volledige verwijdering te garanderen, deze conclusie werd eerder ook reeds bekomen via de COD en UV/Vis-metingen. Aangezien hierbij geen concentraties gekend zijn kan de effectiviteit van de AK filter echter niet achterhaald worden.

4.5 Indicatieve kwantitatieve meting op benzoëzuur via HPLC Doordat benzoëzuur van de matrix gescheiden kan worden via HPLC, werd gepoogd deze kwantitatief op te meten. Hierbij werd gebruik gemaakt van een isocratisch eluens met verhouding 40/60 (acetonitril (ACN)/ H2O). Deze verhouding werd bekomen na een initiële test bij een 50/50 verhouding waarbij een te sterke overlapping tussen de benzoëzuur en de andere componenten is (Figuur 17). De locatie van de benzoëzuur-piek werd bepaald aan de hand van de retentietijd (2,9 min.) bekomen door het meten van een benzoëzuur standaard. Bovendien werd de piek geïdentificeerd door het spiken van staal met benzoëzuur.

piek benzoëzuur

tijd (min.)

piek benzoëzuur

tijd (min.) Figuur 17: chromatogram van het staal van bedrijf 3 voor zuivering in een eluens van 50/50 ACN/H2O boven en hetzelfde staal in een eluens met een 40/60 verhouding ACN/H2O gemeten bij 238,4 nm

54


oppervlak

Aan de hand van vijf benzoëzuur standaarden werd vervolgens een ijklijn opgesteld (Figuur 18). Hierna werd de benzoëzuurconcentratie van elk staal, met uitzondering van bedrijf 6, opgenomen (Tabel 17). Het is belangrijk hierbij te benadrukken dat deze waarden slechts indicatief zijn. Hiervoor zijn een aantal redenen waarvan de belangrijkste een onvoldoende resolutie op het chromatogram is. Door tijdsgebrek werden eveneens enkele waarden bekomen door extrapolatie op de ijklijn, hierdoor is het dan ook onmogelijk een betrouwbaarheidsinterval op te stellen. 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

y = 0,8975x + 1,6176 R² = 0,9904

0

20

40 60 80 concentratie (ppb)

100

120

Figuur 18: opgestelde ijklijn voor benzoëzuur met 95 % betrouwbaarheidsintervallen Tabel 17: concentraties benzoëzuur met bepaalde verwijderingspercentages, waarden met * zijn bekomen door extrapolatie van de ijklijn, ND staat voor niet gedetecteerd. Bedrijf 1 2 3 4 PSKW 1 PSKW 2 5

voor/na zuivering voor

concentratie benzoëzuur(ppb) 23,4

concentratie benzoëzuur (µmol/L) 0,192

na*

4,02

0,033

voor

NG

NG

na*

19,3

0,158

voor

27,3

0,224

na*

4,88

0,040

voor

22,2

0,182

na*

8,29

0,068

*

13,2

0,108

voor*

13,8

0,113

na*

4,32

0,035

voor*

8,07

0,066

na

NG

NG

verwijdering (%) 82.8 / 82.1 62.7 / 68.8 /

De bekomen verwijderingspercentages (Tabel 17) tonen aan dat de uitgevoerde behandelingen vrij effectief zijn voor de verwijdering van benzoëzuur. Er zijn echter enkele inconsistenties wanneer deze resultaten vergeleken worden met de GC/MS bepalingen (Sectie 3.2). Zo kon bij de GC/MS bepaling van het drainwater van bedrijf 1 (voor en na) geen benzoëzuur vastgesteld worden bij de HPLC metingen wordt echter vastgesteld dat dit staal wel degelijk benzoëzuur bevat. Bij bedrijf 2 voor zuivering kon via HPLC geen benzoëzuur vastgesteld worden, terwijl de GC/MS analyse deze stof wel detecteerde. Ook bij het staal afkomstig van bedrijf 5 na zuivering wordt in tegenstelling met de HPLC meting via GC/MS wel degelijk benzoëzuur gedetecteerd.

55


4.6 Fluorescentie spectroscopie Door een excitatie emissie matrix (EEM) op te nemen, kunnen via een parallel factor analysis (PARAFAC) verschillende componenten uit het spectrum geïsoleerd worden. Door de ligging van de piek kan de component vervolgens geïdentificeerd worden. Bovendien kan via de maximale fluorescentie (f max) van elke piek, de relatieve kwantiteit van de component bepaald worden. Op deze manier kunnen verwijderingspercentages van deze verschillende componenten bepaald worden. Er werden EEMs van bedrijf 2 tot en met bedrijf 5 opgenomen. Dit telkens van de stalen voor en na AK filtering. De gegevens werden verwerkt via de drEEM toolbox (Murphy et al. 2013) die werkt via matlab®. Hierbij worden steeds humus -en fulvinezuren gedetecteerd. Humuszuren blijken echter autotoxiciteit tegen te gaan. Dit zoals gerapporteerd door Li (2008) in een onderzoek waarbij de stress van kaneelzuur op komkommers werd getest. De veroorzaakte toxiciteit werd hierbij gedeeltelijk teniet gedaan door toevoeging van humuszuren.

4.6.1 Bedrijf 2 (MGS) Er werden via de PARAFAC analyse 4 componenten geïsoleerd, aan de hand van de pieklocatie werd deze component vervolgens geïdentificeerd.

Figuur 19: Excitatie Emissie Matrix (EEM) van 5 geïsoleerde componenten uit stalen van bedrijf 2

Componenten 1,2 en 4 kunnen gerelateerd worden aan fenolen met een hoge moleculaire massa zoals fulvinezuren en humuszuren (Escudero et al. 2014). Component 3 is wellicht een artefact van de meting en kan dus niet aan een werkelijke component gerelateerd worden. Component 5 daarentegen wordt volgens de literatuur geïdentificeerd als microbiële bijproducten (Chen et al. 2003). De maximale fluorescentie per component (fmax) met de relatieve verwijdering wordt weergegeven in tabel 18.

56


Tabel 18: tabel met fmax waarden en relatieve verwijderingspercentages voor de verschillende componenten in het staalwater van bedrijf 2

identificatie voor AK na AK verwijdering (%)

Fmax1 fulvine -en humuszuren 1,0 0,9


Fmax3

1,8 1,6


Fmax5 microbiële bijproducten 0,4 0,2

6,4

7,3

12,0

1,5

46,1

/

Uit tabel 18 kan geconcludeerd worden dat het verwijderinspercentage van de humuszuren en fulvinezuren telkens vrij laag ligt. Hierbij komt dat de wateroplosbare microbiële bijproducten (Aryal et al. 2014) een veel hoger verwijderingspercentage hebben. Onder deze producten worden hoog aromatische proteïnen en extracellulaire polymeren gerekend. Deze minimale verwijdering van humuszuren bevestigd de COD metingen (Sectie 4.3) waarin bevonden wordt dat de COD waarde na zuivering niet significant verschilt van deze voor de zuivering.

4.6.2 Bedrijf 3 (MGS) De gemeten waarden met verwijderingspercentages voor bedrijf 3 worden weergegeven in tabel 19. De EEM spectra van de componenten kunnen teruggevonden worden in bijlag (Figuur 1). Tabel 19: tabel met fmax waarden en relatieve verwijderingspercentages voor de verschillende componenten in het staalwater van bedrijf 3

identificatie voor AK na AK verwijdering (%)






-84,1

-29,3

2,1

-113,8

4,7

In tabel 19 is te zien hoe de meeste fluorescente componenten in concentratie verhogen. Dit met uitzondering van component 3 en 5 waarbij slechts een lage verwijdering gerealiseerd wordt. Dit is mogelijk een gevolg van een doorbraak van de AK filter wat wijst op de noodzakelijkheid deze te regenereren.

4.6.3 Bedrijf 4 (MGS) Tabel 20 stelt de fmax waarden van de stalen voor en na actieve koolfiltratie voor. Hierbij worden eveneens de verwijderingspercentages weergegeven. De EEM spectra van de componenten kunnen teruggevonden worden in bijlage (Figuur 2).

57


Tabel 20: tabel met fmax waarden en relatieve verwijderingspercentages voor de verschillende componenten in het staalwater van bedrijf 4

identificatie Voor AK Na AK verwijdering (%)






-4,5

-7,0

16,4

-5,8

-27,3

Op tabel 20 valt op dat componenten 1, 2, 4 en 5 een hogere concentratie heeft na zuivering dan daarvoor, waarbij deze voor microbiële bijproducten met 27,3 % stijgt. Dit wijst op een doorslag van de filter met bovendien wellicht een grote microbiële activiteit in de AK filter wat leidt tot de aanwezigheid van microbiële bijproducten.

4.6.4 PSKW 1 (FRS) Figuur 20 toont de contourplots van de verschillende componenten in het staal PSKW1 waarbij het floating raft system geïntegreerd is. Hierbij is geen AK filter of andere vorm van zuivering aanwezig, bijgevolg kan het verwijderingspercentage dan ook niet bepaald worden.

Figuur 20: contourplots van de verschillende componenten uit het afvalwater van PSKW 1 (FRS)

Hierbij kunnen de componenten 1,4 en 5 als fenolen met een hoge moleculaire massa (fulvinezuren en humuszuren) geïdentificeerd worden (Escudero et al. 2014). Component 3 lijkt een artefact van de meting en component 2 wordt volgens de literatuur geïdentificeerd als microbiële bijproducten (Chen et al. 2003).

58


4.6.5 PSKW 2 (MGS) Op tabel 20 worden de fmax waarden van de stalen voor en na actieve koolfiltratie voorgesteld, hierbij worden eveneens de verwijderingspercentages weergegeven. De EEM spectra van de componenten kunnen teruggevonden worden in bijlage (Figuur 3). Tabel 21: tabel met fmax waarden en relatieve verwijderingspercentages voor de verschillende componenten in het staalwater van bedrijf 4

identificatie Voor AK Na AK verwijdering (%)






-45,3

-23,4

-32,7

-83,3

-35,8

Tabel 21 toont een ineffectieve zuivering van de gedetecteerde fluorescente substanties door de AK filter. Dit voor alle gedetecteerde fulvine –en humuszuren en eveneens voor de microbiële bijproducten. Dit resultaat is tegenstrijdig met de uitgevoerde COD metingen (sectie 4.3) waarbij er geen significant verschil tussen het staal voor en na zuivering gedetecteerd werd.

4.6.6 Bedrijf 5 (MGS) De gemeten waarden met verwijderingspercentages voor bedrijf 3 worden weergegeven in tabel 19. De EEM spectra van de componenten kunnen teruggevonden worden in bijlage (Figuur 4). Tabel 22: tabel met fmax waarden en relatieve verwijderingspercentages voor de verschillende componenten in het staalwater van bedrijf 5

Fmax1 identificatie

/

voor AK na AK verwijdering (%)

3,5 2,6


26,2

52,5

Fmax3

2,7 1,7



37,5

53,4

42,7

/

Tabel 22 toont aan dat de concentratie aan fulvine en humuszuren na AK behandeling gehalveerd zijn. Bovendien zijn ook de microbiële bijproducten 42,7 % verwijderd. Dit is in tegenstrijd met de uitgevoerde COD metingen (Sectie 4.3) en de UV vis metingen (Sectie Fout! Verwijzingsbron niet gevonden.) die aantoonden dat de COD en het de absorbantie na zuivering gestegen was. Dit deed vermoeden dat de AK filter geregenereerd moest worden. Een verklaring voor deze tegenstrijdigheid is dat de fluorescente componenten in de AK filter worden afgebroken tot niet fluorescente stoffen. Hierdoor lijkt er een verwijdering te zijn maar is er in werkelijkheid nog een zelfde

59


hoeveelheid koolstof in het water aanwezig. Hierbij zou een toename aan de hoeveelheid microbiële bijproducten echter wel verwacht worden.

5

Besluit

Het doel van deze thesis is om een beter inzicht te krijgen in de aanwezigheid van wortelexudaten in het drainwater van industriële groenteteeltbedrijven op basis van hydroculturen. In dit onderzoek werd voor de analyses gebruik gemaakt van irrigatiewater afkomstig uit de aardbeienteelt (op substraat) en slateelt van zowel het “floating raft system” en het “mobile gully system”. Op deze manier wordt een reëel beeld geschetst van de diverse exudaten aanwezig in het drainwater van de onderzochte groenteteeltbedrijven. Dit in tegenstelling tot de reeds bestaande analyses uit de literatuur waarbij steeds uitgegaan wordt van een labo opstelling. Voor deze thesis werd telkens een staal voor en na filtering (indien aanwezig) genomen. Behalve bedrijf 1 waar snelle zandfilter en UV-behandeling en PSKW1 waar geen zuivering aanwezig is maken de andere bedrijven gebruik van een AK filter. Bij het PSKW 1 staal zonder zuivering werd op termijn een verminderde groei vastgesteld. Alle waterstalen werden geanalyseerd via de volgende meetmethodes: pH en geleidbaarheidmetingen, opname van UV/Vis spectra, COD bepaling, kwalitatieve GC/MS meting, benzoëzuurbepaling via HPLC en een fluorescentiebepaling. In een eerste fase werden de pH en de geleidbaarheid onderzocht. Uit de resultaten blijkt dat zowel de pH als de geleidbaarheid voor en na zuivering onveranderd blijven. Dit komt omdat zowel de snelle zandfilter als de AK filter geen of weinig ionen uit de nutriëntenoplossing halen. De geleidbaarheidsmeting toont dat bij de meeste bedrijven de geleidbaarheid binnen het ideaal gebied van 1500 en 2500 µS/cm ligt. Uitzondering hierop is het staal afkomstig uit de aardbeienteelt die onder dit optimum ligt. Het opnemen van de UV/Vis spectra toont aan dat er slechts weinig verwijdering is van lichtabsorberende componenten. Bij bedrijf 5 is hier een opmerkelijke stijging in UV absorberende stoffen na AK behandeling waar te nemen. Dit toont aan dat deze filter geregenereerd dient te worden. Verder is zijn slechts kleine variaties in UV-absorberende stoffen op te merken. Uit de COD bepaling blijkt dat de stalen uit bedrijf 1 (aardbeienteelt op substraat) en het staal uit het “floating raft system” (PSKW1) een significant hogere COD-waarde heeft dan de andere stalen. Dit wijst op hogere hoeveelheden aan organische componenten en dus mogelijk exudaten. Deze hogere waarde kan de groeivermindering die gerapporteerd werd bij het PSKW 1 deels verklaren. Het staal afkomstig van bedrijf 5 heeft na AK filtratie een hogere COD waarde, dit is in overeenstemming met de UV/Vis bepaling. In het algemeen is er geen significant verschil in de COD waarde voor en na de zuiveringsstap te meten. Één van de meest opvallende waarnemingen uit deze thesis komen uit de GC/MS analyses. Hierbij wordt aangetoond dat er veel meer stoffen aanwezig zijn dan in de literatuur beschreven staat. Dit kan verklaard worden door de het gebruik van reële stalen uit de groenteteelt. De grote variëteit aan stoffen is wellicht niet enkel toe te schrijven aan wortelexudaten. Deze kunnen van diverse oorsprong zijn zoals bijvoorbeeld bacterieel, uit het suppletiewater of andere bronnen. Uit de literatuur blijkt dat voor aardbeien vooral benzoëzuur nadelig is. Voor sla zijn er meer nadelige stoffen beschreven, de belangrijkste

60


die ook in de resultaten voorkwamen zijn: benzoëzuur, kaneelzuur, laurinezuur, ftaalzuur, vanillinezuur, palmitinezuur en stearinezuur. De rode draad hierbij is dat er steeds stearinezuur en palmitinezuur zowel voor als na zuivering voorkomen. De andere werden slechts in enkele stalen gedetecteerd werden. Hieruit kan besloten worden dat de AK filter deze schadelijke stoffen niet volledig verwijdert. Ook werd een reëel staal (bedrijf 6) over een volledig geregenereerde AK filter gebracht, hierbij werd na amper 22,4 bedvolumes reeds een doorslag waargenomen. Uit de praktijk blijkt echter dat het inschakelen van een AK filter wel degelijk tot een opbrengstverhoging leidt. De gebruikte GC/MS meetmethode biedt geen kwantitatieve data, een eventuele concentratiedaling na AK filtratie kan dus niet worden waargenomen. In een poging deze data deels te kwantificeren werd een HPLC analyse voor benzoëzuur uitgevoerd. Door een bemoeilijkte scheiding kon hier echter slechts een indicatief cijfer bekomen worden. Hieruit bleek dat de gebruikte zuiveringsmethodes een verwijderingspercentage tussen 62,7 % en 82,8 % voor benzoëzuur haalden. Tenslotte werd het drainwater voor en na AK filtering via fluorescentie spectroscopie gekarakteriseerd. Er waren telkens fulvine en humuszuren alsook wateroplosbare bacteriële bijproducten in het water aanwezig. De relatieve verwijdering van deze componenten verschilde echter veel tussen de verschillende gemeten stalen. De maximum behaalde relatieve verwijdering werd gemeten bij bedrijf 5 waarbij verwijderingspercentages tot 53,4 % behaald werden. Kwantitatieve data voor de andere stoffen ontbreken echter nog, het bekomen van deze data is echter cruciaal voor het bepalen van de efficiëntie van de gebruikte zuiveringsmethoden. In een volgende onderzoeksfase zou een kwantitatieve analyse van de meest schadelijke exudaten waaronder stearine –en vanillinezuur moeten gebeuren. Deze metingen zouden uitgevoerd kunnen worden via een GC/MS meting na vriesdrogen (Sectie 2.3.2). Bovendien is er nood aan extra informatie omtrent de impact van niet eerder beschreven exudaten zoals o.a. beta-sitosterol, catechol en resorcinol op de groei van diverse teelten. Dit zou eventueel uitgevoerd kunnen worden onder de vorm van bioassays.

61


LITERATUURLIJST Adler, P.R. et al., 2003. Mechanistic approach to phytoremediation of water. Ecological Engineering, 20(3), pp.251–264. Available at: http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0925857403000442 [Accessed April 6, 2015]. Aiken, G.R. et al., 1992. Isolation of hydrophilic organic acids from water using nonionic macroporous resins Hydrophobic acids XAD - 4 ~ I NaOH ). Hydrophilic acids. , 18(4), pp.567–573. Aryal, R., Grinham, A. & Beecham, S., 2014. Tracking Inflows in Lake Wivenhoe during a Major Flood Using Optical Spectroscopy. Water, 6(8), pp.2339–2352. Available at: http://www.mdpi.com/2073-4441/6/8/2339/ [Accessed May 21, 2015]. Asaduzzaman, M. et al., 2012. Growth and Yield Recovery in Strawberry Plants under Autotoxicity through Electrodegradation. , 77(2), pp.58–67. Asao, T. et al., 2003. Autotoxicity of root exudates from taro. , 97, pp.389–396. Asao, T. et al., 2008. Electrodegradation of Root Exudates to Mitigate Autotoxicity in Hydroponically Grown Strawberry ( Fragaria · ananassa Duch .) Plants. , 43(7), pp.2034–2038. Asao, T. et al., 2004. search of autotoxic substances in some leaf vegetables. j. Japan. Soc. Hort. Sci., 3(73), pp.247–249. Babel, S. & Kurniawan, T.A., 2003. Low-cost adsorbents for heavy metals uptake from contaminated water: a review. Journal of hazardous materials, 97(1-3), pp.219–43. Available at: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/12573840. Badri, D. V. & Vivanco, J.M., 2009. Regulation and function of root exudates. Plant, Cell & Environment, 32(6), pp.666–681. Available at: http://doi.wiley.com/10.1111/j.13653040.2009.01926.x [Accessed July 9, 2014]. Bais, H.P. et al., 2006. The role of root exudates in rhizosphere interactions with plants and other organisms. Annual review of plant biology, 57, pp.233–66. Available at: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16669762 [Accessed July 9, 2014]. Bertin, C., Yang, X. & Weston, L.A., 2003. The role of root exudates and allelochemicals in the rhizosphere. , pp.67–83. Brimecombe, M.J., De leij, F.A. & Lynch, J.M., 2000. The effect of root exudates on rhizosphere microbial populations. In R. Pinton, Z. Varini, & P. Nannipieri, eds. The thizosphere, biochemistry and organic substances at the soil-plant interface. New York: Marcel Dekker, pp. 95–140. Bro, R., 1997. PARAFAC . Tutorial and applications. , 38, pp.149–171. Cao, K.Q. & Wang, S.T., 2007. Autotoxicity and soil sickness of strawberry (Fragaria X ananassa). Allelopathy journal, 20(1), pp.103–114.

62


Chaparro, J.M. et al., 2013. Root exudation of phytochemicals in Arabidopsis follows specific patterns that are developmentally programmed and correlate with soil microbial functions. PloS one, 8(2), p.e55731. Available at: http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=3562227&tool=pmcentrez &rendertype=abstract [Accessed March 24, 2015]. Chen, W. et al., 2003. Fluorescence Excitation - Emission Matrix Regional Integration to Quantify Spectra for Dissolved Organic Matter. , pp.5701–5710. Chen, X.G. et al., 1997. Growth of a lettuce crop at low ambient nutrient concentrations: A strategy designed to limit the potential for eutrophication. JOURNAL OF PLANT NUTRITION, 20(10), pp.1403–1417. Cooksey, K.E., 1995. Adhesion of bacteria and diatoms to surfaces in the sea : a review. , 9(Cooksey 1981), pp.87–96. Dayan, F.E., Howell, J. & Weidenhamer, J.D., 2009. Dynamic root exudation of sorgoleone and its in planta mechanism of action. Journal of experimental botany, 60(7), pp.2107–17. Available at: http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=2682501&tool=pmcentrez &rendertype=abstract [Accessed March 30, 2015]. De-la-Pena, C. et al., 2008. Root-Microbe Communication through Protein Secretion. Journal of Biological Chemistry, 283(37), pp.25247–25255. Available at: http://www.jbc.org/cgi/doi/10.1074/jbc.M801967200 [Accessed April 4, 2015]. Dufour, L. & Gue, V., 2005. Nutrient solution effects on the development and yield of Anthurium andreanum Lind . in tropical soilless conditions. , 105, pp.269–282. Elliott, M. a, Digiano, F. a & Sobsey, M.D., 2011. Virus attenuation by microbial mechanisms during the idle time of a household slow sand filter. Water research, 45(14), pp.4092–102. Available at: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21665239 [Accessed May 9, 2014]. Escudero, N. et al., 2014. A metabolomic approach to study the rhizodeposition in the tritrophic interaction: tomato, Pochonia chlamydosporia and Meloidogyne javanica. Metabolomics, 10(5), pp.788–804. Available at: http://link.springer.com/10.1007/s11306-014-0632-3 [Accessed March 25, 2015]. Fan, T.W. et al., 1997. Comprehensive Analysis of Organic Ligands in Whole Root Exudates Using Nuclear Magnetic Resonance and Gas Chromatography – Mass Spectrometry. , 68(251), pp.57–68. Fan, T.W. et al., 2001. Comprehensive chemical pro ® ling of gramineous plant root exudates using high-resolution NMR and MS. , 57, pp.209–221. Frezza, D. et al., 2005. Soilless Culture Technology for High Quality Lettuce. , 4453, pp.43–48. Glinwood, R. et al., 2003. CHANGE IN ACCEPTABILITY OF BARLEY PLANTS TO APHIDS AFTER EXPOSURE TO ALLELOCHEMICALS FROM COUCH-GRASS ( Elytrigia repens ). , 29(2), pp.261–275.

63


Haas, R. and, 2001. Amberlite TM xad4. , (Figure 1), pp.3–6. Hancock, D.W., 2005. Autotoxicity in Alfalfa ( Medicago sativa L .): Implications for Crop Production, Huang, L.-F. et al., 2013. Plant-soil feedbacks and soil sickness: from mechanisms to application in agriculture. Journal of chemical ecology, 39(2), pp.232–42. Available at: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23385367 [Accessed May 8, 2015]. Hughes, M. et al., 1999. Effects of the exposure of roots of Alnus glutinosa to light on flavonoids and nodulation. CANADIAN JOURNAL OF BOTANY-REVUE CANADIENNE DE BOTANIQUE, 77(9), pp.1311–1315. Hutzler, P. et al., 1998. Tissue localization of phenolic compounds in plants by confocal laser scanning microscopy. , 49(323), pp.953–965. Jose, J. & Franco, A., 2007. Research Reports. , 17(March). Kitazawa, H. et al., 2005. Autotoxicity of root exudates from strawberry in hydroponic culture. Journal of Horticultural Science & Biotechnology, 80(6), pp.677–680. Kristensen, E. et al., 2008. Organic carbon dynamics in mangrove ecosystems: A review. Aquatic Botany, 89(2), pp.201–219. Available at: http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0304377007001817 [Accessed July 9, 2014]. Kumar, R.R. & Cho, J.Y., 2014. Reuse of hydroponic waste solution. Environmental science and pollution research international, 21(16), pp.9569–77. Available at: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/24838258 [Accessed March 30, 2015]. Lee, J.G., Lee, B.Y. & Lee, H.J., 2006. Accumulation of phytotoxic organic acids in reused nutrient solution during hydroponic cultivation of lettuce (Lactuca sativa L.). Scientia Horticulturae, 110(2), pp.119–128. Available at: http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0304423806002445 [Accessed September 23, 2014]. Li, N.Z., 2008. Effect of Humic Acids on the Cucumber Seed Germination and Seedling Growth under Exogenous Cinnamic Acid Stress. Fujian Agriculture and Forestry University. Liu, Y.H. et al., 2007. Plant autotoxicity research in southern China. , 19(1), pp.61–74. Marschner, H., 1995. Mineral Nutrition of Higher Plants, Academic Press. McCully, M., 2005. The rhizosphere: the key functional unit in plant/soil/microbial interactions in the field. Implications for the understanding of allelopathic effects. In 4th World congress on allelopathy. Wagga Wagga, pp. 1–8. Meerungrueang, W. & Panichayupakaranant, P., 2014. Antimicrobial activities of some Thai traditional medical longevity formulations from plants and antibacterial compounds from Ficus foveolata. PHARMACEUTICAL BIOLOGY, 52(9), pp.1104– 1109.

64


Metcalf, L., Eddy, H.P. & Tchobanoglous, G., 2004. Wastewater engineering : treatment, disposal, and reuse, New York [etc.]: McGraw-Hill. Murphy, K.R. et al., 2013. Fluorescence spectroscopy and multi-way techniques. PARAFAC. Analytical Methods, 5(23), p.6557. Available at: http://xlink.rsc.org/?DOI=c3ay41160e [Accessed April 8, 2015]. Neumann, G. et al., 2014. Root exudation and root development of lettuce (Lactuca sativa L. cv. Tizian) as affected by different soils. Frontiers in microbiology, 5(January), p.2. Available at: http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=3901204&tool=pmcentrez &rendertype=abstract [Accessed August 27, 2014]. Nichols, M., 2011a. Mobile gullies in Belgium. Practical Hydroponics & Greenhouses, (116). Nichols, M., 2011b. Mobile Gullies in Belgium. Practical Hydroponics & Greenhouses, (116), pp.54–57. Raviv, M., Silber, A. & Medina, S., 1998. The effect of medium disinfestation on cut rose productivity and on some chemical properties of tuff 1. , 74(2057), pp.285–293. Salisbury, F.B. & Ross, C.W., 1992. Plant physiology, Belmont, Calif Wadsworth Pub. Co. Schijven, J.F. et al., 2013. A mathematical model for removal of human pathogenic viruses and bacteria by slow sand filtration under variable operational conditions. Water research, 47(7), pp.2592–602. Available at: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23490102 [Accessed April 30, 2014]. Simpson, D.R., 2008. Biofilm processes in biologically active carbon water purification. Water research, 42(12), pp.2839–48. Available at: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/18405938 [Accessed May 6, 2014]. Stedmon, C.A. & Bro, R., 2008. OCEANOGRAPHY : METHODS Characterizing dissolved organic matter fluorescence with parallel factor analysis : a tutorial. , pp.572–579. Trejo-téllez, L.I. & Gómez-merino, F.C., 1998. Nutrient Solutions for Hydroponic Systems. , pp.1–23. Vercramer, A., 2007. integraal waterbeheer op land- en tuinbouwbedrijven, Verhagen, J.B.G.M., 2009. Trends in Rooting Media in Dutch Horticulture during the Period 2001- 2005 : the New Growing Media Project, Weiguang, L. et al., 2002. Mechanism of organic manure relieving the autotoxicity to continuous croppig cucumber. Shanghai Nongye Xuebao, 18(2), p.52—56. Available at: http://europepmc.org/abstract/CBA/382313. Wentzell, A.M. & Kliebenstein, D.J., 2008. Genotype, age, tissue, and environment regulate the structural outcome of glucosinolate activation. Plant physiology, 147(1), pp.415–28. Available at: http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=2330308&tool=pmcentrez &rendertype=abstract [Accessed April 7, 2015].

65


Weston, L.A. & Mathesius, U., 2014. Root Engineering A. Morte & A. Varma, eds. , 40, pp.221–247. Available at: http://link.springer.com/10.1007/978-3-642-54276-3 [Accessed April 4, 2015]. Whipps, J.M., 1990. Carbon economy. The rhizosphere, pp.59–97. Yu, J.Q., Lee, K.S. & Matsui, Y., 1993. Effect of the addition of activated charcoal to the nutrient solution on the growth of tomato in hydroponic culture. Soil Science and Plant Nutrition, 39(1), pp.13–22. Available at: http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/00380768.1993.10416970 [Accessed March 30, 2015]. Zekki, H., Gauthier, L. & Gosselin, A., 1996. Growth , Productivity , and Mineral Composition of Hydroponically Cultivated Greenhouse Tomatoes , with or without Nutrient Solution Recycling. , 121(6), pp.1082–1088.

66


Bijlagen

Figuur 1: Contourplots van de verschillende componenten uit het afvalwater van bedrijf 3 (MGS)


67


Figuur 3: Contourplots van de verschillende componenten uit het afvalwater van PSKW 2 (MGS)


68

Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur

Recommend Documents