Tom Fernandez, Professor an der Fakultät für Gartenbau der MSU, hat einen Großteil seiner 25-jährigen Karriere an der MSU damit verbracht, zu erforschen, wie man Wasser in Gewächshäusern und Baumschulen effektiv verwaltet, um die Wassernutzungseffizienz zu steigern und den Nährstoffabfluss zu reduzieren.
Fernandez hat Managementstrategien entwickelt, um sicherzustellen, dass landwirtschaftliche Betriebsmittel wie Düngemittel und Pestizide nicht von ihrem Bestimmungsort weggespült werden und so die umliegende Umwelt schädigen und die Wasserqualität verschlechtern.
Nach Angaben der US-Umweltschutzbehörde werden jährlich etwa eine halbe Million Tonnen Pestizide, 12 Millionen Tonnen Stickstoffdünger und 4 Millionen Tonnen Phosphordünger auf den Acker ausgebracht. Der Abfluss dieser Stoffe trägt zu den größten Belastungen der Wasserqualität bei.
In Gewächshäusern und Gärtnereien werden viele Pflanzen leicht übergossen, da die Behälter, in denen sie stehen, das Wasser leicht ablaufen lassen. Fernandez hat herausgefunden, dass die Bewässerung je nach Pflanzenart um 30–80 % reduziert werden kann, wenn die Pflanzen entsprechend ihres täglichen Wasserbedarfs gegossen werden. So können Züchter Wasser sparen und den Abfluss von Nährstoffen aus der Blumenerde verringern.
Neben der Minimierung des Abflusses von Nährstoffen aus Düngemitteln, wie Nitraten und Phosphaten, untersuchte Fernandez auch, wie sich die Verschleppung von Pestiziden aus dem Boden und aus Nichtzielgebieten verringern ließe.
Pestizide werden über die Pflanzen gesprüht und gelangen daher an unbeabsichtigte Stellen, wie etwa in die Lücken zwischen den Pflanzen oder auf den Bodenbelag in Gewächshäusern und Baumschulen. Bei einer Bewässerung über Kopf können sich die Pestizide in diesen Bereichen mit dem Wasser bewegen und dessen Qualität beeinträchtigen.
So wie die Bewegung von Nährstoffen aus Düngemitteln im Boden reduziert wurde, sagte Fernandez, dass eine geringere Bewässerung der Pflanzen dazu beitragen kann, die Bewegung von Pestiziden im Boden und von nicht gezielten Oberflächen zu verringern. Er sagte auch, dass die Mikrobewässerung einzelner Töpfe mit Sprühstäben, die Wasser über einzelne Behälter fächern, den Oberflächenabfluss von Pestiziden erheblich reduziert.
„Die Zeit ist wirklich auf unserer Seite, wenn wir über Nährstoffe und Pestizide nachdenken“, sagte Fernandez. „Je länger wir verhindern, dass sie in Wassersysteme gelangen, desto mehr kann biologisch mit ihnen geschehen, sodass sie kein Problem darstellen.“
Mit diesen Strategien, so Fernandez, habe man ein besseres Verständnis dafür entwickelt, wie man Kübelpflanzen bewässern kann, ohne dass es zu Abflussbildung kommt. Seitdem hat er ein neues Projekt in Angriff genommen: Er untersucht, wie man das bei der Produktion verwendete Wasser aufbereiten kann, indem man die Menge an Nährstoffen und Pestiziden untersucht, die nach der Anwendung darin enthalten sind.
Ab 2018 untersuchten Fernandez und Gemma Reguera, stellvertretende Dekanin für Fakultätsangelegenheiten und -entwicklung am College of Natural Science der MSU und Professorin im Fachbereich Mikrobiologie, Genetik und Immunologie, wie Nährstoffe aus Düngemitteln mit Bioreaktoren interagieren und inwieweit Bioreaktoren sie vom in Gewächshäusern verwendeten Wasser trennen – ein Vorhaben, das ursprünglich von Fernandez‘ ehemaligem Doktoranden Damon Abdi erforscht wurde, der heute Assistenzprofessor für Gartenbau an der Louisiana State University ist.
Wie sehen diese Bioreaktoren aus?
„Sie haben einen schicken Namen, aber eigentlich sind es nur große Wannen mit Holzspänen“, sagte Fernandez.
Fernandez sagte, sie hätten ursprünglich ein zweistufiges Bioreaktorsystem entwickelt, das aus Holzspänen bestand, die Nitrate in Stickstoffgas umwandeln, und durch Hitze expandiertem Ton, der dem Phosphor aus Phosphaten eine große Oberfläche bietet, an die er sich binden kann, wenn Wasser hindurchfließt.
Untersuchungen haben gezeigt, dass beim Durchleiten von Wasser durch das System mehr als 95 % der Nitrate entfernt und 80–87 % der Phosphate abgebaut und entfernt werden konnten. Fernandez und sein Team entdeckten, dass die Aktivität hauptsächlich in den Holzspänen stattfand, sodass die zweite Stufe des Bioreaktors, in der wärmeexpandierter Ton verwendet wurde, inzwischen eingestellt wurde.
Diese Funktion des Bioreaktors ist für Wasser, das nicht im Betrieb wiederverwendet werden kann, von entscheidender Bedeutung, da sie die Gefahr verringert, dass Nährstoffe in die Umwelt gelangen und diese verunreinigen. Viele moderne Gewächshäuser und Baumschulen arbeiten jedoch mit geschlossenen Wasserkreisläufen, bei denen das Wasser in der Anlage verbleibt und häufig in der Produktion recycelt wird.
Fernandez sagte, er habe Anfragen zu der Möglichkeit erhalten, Nährstoffe im Bioreaktor zu recyceln und gleichzeitig den Einsatz von Pestiziden zu reduzieren.
„Unsere Partner wollten die Pestizide entfernen, die Nährstoffe aber im Wasser belassen, weil sie dafür bezahlen – das ist Dünger“, sagte Fernandez.
Damit die Nährstoffe im Wasser bleiben, muss das Wasser schneller durch den Bioreaktor fließen. Dadurch bleibt dem Bioreaktor weniger Zeit, anaerob zu werden – ein Zustand ohne Sauerstoff – und Nährstoffe wie Nitrate können nicht entgast werden.
Nachdem der Bioreaktor so modifiziert wurde, dass das Wasser jetzt etwa alle 4 Stunden durch ihn fließen kann, anstatt 72 Stunden (was in etwa der Zeit entspricht, die benötigt wird, um Nährstoffe aus dem Wasser zu entfernen), konnte sein Team laut Fernandez 90 bis 100 Prozent der Nährstoffe im Wasser recyceln und erneut für die Produktion verwenden.
Fernandez und Reguera stellten außerdem fest, dass Pestizide, wenn sie durch den Bioreaktor flossen, die Funktionsfähigkeit der Mikroorganismen im System nicht beeinträchtigten. Tatsächlich stellten sie fest, dass der Bioreaktor – abhängig von der Mobilität jedes Pestizids im Wasser – die Gesamtmenge an Pestiziden im Wasser um 30–75 % reduzieren konnte.
„Bei unseren Laborexperimenten haben wir festgestellt, dass wir die Nährstoffe im Wasserstrom behalten und viele Pestizide entfernen können, wenn wir die Verweilzeit – also die Zeit, die das Wasser im Bioreaktor verbleibt – verkürzen“, sagte Fernandez.
Amy Upton, Geschäftsführerin der Michigan Nursery and Landscape Association, sagte, die Daten aus der Forschung von Fernandez und seinem Team würden dem Gewächshaus- und Baumschulsektor dabei helfen, ihre mit sauberem Wasser erzeugten Produkte zu vermarkten. Und die praktischen Vorführungen des Teams würden den Anbauern dabei helfen, diese Technologien zu bewerten und einzuführen.
„Wasserqualität und -sicherheit sind für die Baumschul- und Gewächshausindustrie von entscheidender Bedeutung“, sagte Upton. „Die Forschung von Dr. Fernandez und seinem Team befasst sich nicht nur mit Qualität und Sicherheit, sondern umfasst auch wichtige Aspekte wie verbesserte erdlose Substrate, die die Wasser- und Nährstoffspeicherung optimieren, und bewährte großflächige Aufbereitungstechnologien, die Pestizide und Krankheitserreger in Wasserquellen reduzieren.“
Dies ist das dritte Jahr, in dem Fernandez und sein Team, darunter die Doktoranden Henry Gonzalez und Marcela Tabares, die Leistung von Bioreaktoren in einem groß angelegten Gewächshausbetrieb überwachen.
Fernandez sagte, dass sie derzeit Wassertanks mit einem Fassungsvermögen von 300 und 600 Gallonen als Behälter für die Bioreaktoren verwenden und untersuchen, wie sich Pestizide unter anaeroben (ohne Sauerstoff) und aeroben (mit Sauerstoff) Bedingungen unterschiedlich zersetzen. Sie hoffen, dass die gesammelten Informationen dabei helfen können, die Entfernung von Pestiziden aus dem Wasser weiter zu verbessern.
„Soweit ich weiß, ist es wirklich das erste Mal, dass jemand diese Art von System für Bioreaktoren verwendet hat“, sagte Fernandez.