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
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
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
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
II
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 Sint-
Katelijne-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.
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
III
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.
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
IV
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
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
V
(1R,4aR,4bS,7S,10aR)-1,4a,7-Trimethyl-7-vinyl-3,4,4b,5,6,9,10,10a-octahydro-2H-
fenanthreen-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
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
VI
Lijst met afkortingen en symbolen
AK Actieve kool
BGAC Biological Granular Active Carbon
BSTFA N,O-Bis(trimethylsilyl)trifluoroacetamide
CLSM Confocal Laser Scanning Microscopy
COD Chemical Oxygen Demand
DAD Diode Array Detector
DAS Differential Absorption Spectrum
EEM Excitatie Emissie Matrix
FRS Floating Raft System
GAC Granular Active Carbon
MGS Mobile Gully System
NMR Nuclear Magnetic Resonance
PARAFAC Parallel Factor Analysis
PSKW Proefstation Sint-Katelijne-Waver
SPE Solid Phase Extraction
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
VII
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 Sint-
Katelijne-Waver ........................................................................................................................ 27
Tabel 6: meetparameters GC/MS ............................................................................................ 29
Tabel 7: parameters voor EEM metingen, zowel voor de 3D-fluorescentie-als voor de 2D-
Raman-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 UV-
behandeling (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
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
VIII
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
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
IX
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
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
10
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.
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
11
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.
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).
500 µm
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
12
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.
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
13
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 CO2 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.
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
14
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
componenten
individuele componenten functie
sachariden en
polyalcoholen
glucose, fructose, mannose, maltose, trehalose,
sucrose, glycerol, inositol
creëren van een
gunstige omgeving
voor de groei van
micro-organismen
aminozuren
en amines
alanine, beta-alanine, aspartaat, glutamaat, glutamine,
glycine, leucine, isoleucine, proline, 4-hydroxyproline,
pyroglutamaat, serine, threonine, valinne, beta-
aminoboterzuur, 4-aminoboterzuur, putrescine
inhibitie van
nematoden en groei
van andere
plantensoorten
alifatische
zuren/
vetzuren
mierenzuur, azijnzuur, boterzuur, propionzuur,
maleïnezuur, citroenzuur, oxaalzuur, appelzuur,
fumaarzuur, barnsteenzuur, laurinezuur, linolzuur,
oliezuur, palmitinezuur, stearinezuur, valeriaanzuur
regulering en
inhibitie van
plantengroei
aromatische
zuren
benzoëzuur, p-hydroxybenzoëzuur, 3,4-
dihydroxykaneelzuur, p-coumarinezuur, ferulazuur,
3,4,5-trihydroxybenzoëzuur, 3,4 dihydroxybenzoëzuur,
2-hydroxybenzoëzuur, 3-(4-hydroxy-3,5-
dimethoxyfenyl)prop-2-eenzuur, 4-hydroxy-3,5-
dimethoxybenzoëzuur.
groeistimulatie of
inhibitie
(concentratie
afhankelijk)
polyfenolen flavanolen, anthocyanen groeistimulatie of
inhibitie
(concentratie
afhankelijk)
enzymen peroxidasen, glucanasen, chitinasen defensieve werking
tegen pathogene
bacteriën (De-la-
Pena et al. 2008)
sterolen campestrol, cholesterol, sitosterol, stigmasterol plantengroeiregulatie
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
15
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 concentratie
(µmol/L)
aantal
bladen
blad
opp.
versgewicht drooggewicht
scheut wortel scheut wortel
Benzoëzuur 25 0 0 0 0 0 0
50 - - - - -/0 +
100 - 0 0 0 -/0 0
200 - - - - -/0 +
400 a NG NG NG NG - NG
fenylazijnzuur 25 - 0 0 0 0 0
50 - - 0 - 0 0
100 - - - - - 0
200 - - - - - +
kaneelzuur 25 0 0 0 - 0 +
50 0 - - - - +
100 - - - - - 0
200 - - - - - +
p-hydroxybenzoëzuur 25 0 0 - - 0 +
50 - - - - +/0 +
100 - - - - -/0 +
200 - - - - -/0 +
400 a NG NG NG NG - NG
laurinezuur 25 - 0 0 0 0 +
50 - - - - 0 +
100 - - - - - +
200 - - - - - 0
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
16
ftaalzuur 25 - - 0 0 - +
50 0 0 0 - 0 +
100 0 0 0 - 0 +
200 - - - - - +
vanillinezuur 25 - - - - 0 0
50 - - - - 0/- 0
100 - - - - -/- +
200 - - - - -/- 0
400 a NG NG NG NG -/- NG
palmitinezuur 25 - 0 0 0 0 0
50 0 0 0 - 0 +
100 - - - - 0 -
200 - - - - - +
stearinezuur 25 - - - - 0 0
50 - 0 - - 0 +
100 - - - - - 0
200 - - - - - +
Mix van bovenstaande
stoffen (concentratie
per component)
25 - - - - - +
50 - - - - - 0
100 - - - - - +
200 - - - - - +
barnsteenzuur a
50 0
100 0
200 -
400 -
melkzuur a 50 0
100 0
200 0
400 0
adipinezuur a 50 0
100 0
200 0
400 0
a 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 p-
hydroxybenzoëzuur. Hierbij werd eveneens een bio-assay uitgevoerd waarbij aangetoond
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
17
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 concentratie
(µmol/L)
versgewicht
(verhouding)
scheut/totale
plant
drooggewicht (verhouding) maximale
wortel-
lengte
(cm)
scheut/totale
plant
wortel/totale
plant
controle 0 0,98a 0,17a 0,07a 17,0a
melkzuur 50 0,95a 0,16a 0,06a 16,2a
100 0,88a 0,15a 0,06a 13,7b
200 0,88a 0,16a 0,07a 11,9bc
400 0,85a 0,15a 0,06a 11,4
benzoëzuur 50 0,48b 0,09b 0,03b 12,1b
100 0,42b 0,09b 0,03b 10,5b
200 0,42b 0,08b 0,03b 10,3b
400 0,36b 0,08b 0,03b 9,4c
barnsteenzuur 50 0,80a 0,14a 0,06a 16,2ab
100 0,74a 0,13a 0,04a 13,6bc
200 0,69a 0,19a 0,04a 12,5c
400 0,87a 0,16a 0,05a 11,7c
adipinezuur 50 0,70a 0,12a 0,03a 14,1ab
100 0,88a 0,15a 0,05a 12bc
200 0,74a 0,13a 0,05a 10,6c
400 0,76a 0,15a 0,05a 9,4c
p-hydroxybenzoëzuur 50 0,77a 0,14a 0,04a 11,9b
100 0,67a 0,13a 0,03a 10,8bc
200 0,77a 0,15a 0,05a 9,1c
400 0,65a 0,12a 0,04a 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.
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
18
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
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
19
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))
Nutriënt Hoagland & Arnon (1938)
Hewitt (1966)
Cooper (1979)
Steiner (1984)
mg/L
N 210 168 200-236 168
P 31 41 60 31
K 234 456 300 273
Ca 160 160 170-185 180
Mg 34 36 50 48
S 64 48 68 336
Fe 2,5 2,8 12 2-4
Cu 0,02 0,064 0,1 0,02
Zn 0,05 0,065 0,1 0,11
Mn 0,5 0,54 2 0,62
B 0,5 0,54 0,3 0,44
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
20
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,
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
21
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
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
22
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 (0,1-
0,3 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
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
23
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.
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
24
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 (3,4-
dihydroxykaneelzuur), 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.
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
25
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 3e 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
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
26
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).
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
27
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-Katelijne-Waver
staalcodering teelt plant teelt type plaats staalname uitgevoerde
analyses
bedrijf 1 Voor
Na
aardbeien substraat-
teelt
voor en na snelle
zandfiltratie en UV
ontsmetting
pH; conductometrie
UV/Vis;COD;
GC/MS; HPLC; EEM
bedrijf 2 Voor
Na
sla MGS voor en na actieve
kool filtratie
pH; conductometrie
UV/Vis;COD;
GC/MS; HPLC; EEM
bedrijf 3 Voor
Na
sla MGS voor en na actieve
kool filtratie
pH; conductometrie
UV/Vis;COD;
GC/MS; HPLC; EEM
PSKW 1
sla FRS geen zuivering
aanwezig
pH; conductometrie
UV/Vis;COD;
GC/MS; HPLC; EEM
PSKW 2 Voor
Na
sla MGS voor en na actieve
kool filtratie
pH; conductometrie
UV/Vis;COD;
GC/MS; HPLC; EEM
bedrijf 4 Voor
Na
sla MGS voor en na actieve
kool filtratie
pH; conductometrie
UV/Vis;COD;
GC/MS; HPLC; EEM
bedrijf 5 Voor
Na
sla MGS voor en na actieve
kool filtratie
pH; conductometrie
UV/Vis;COD;
GC/MS; HPLC; EEM
bedrijf 6 sla MGS voor actieve kool
filtratie
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
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
28
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% fenyl-
gesubstitueerd 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.
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
29
Tabel 6: meetparameters GC/MS
parameter waarde
He debiet (cm/s) 34
split ratio splitless
injector T (°C) 280
oven T1 (°C) 80 (1 min hold)
gradiënt 1 (°C/min.) 10
oven T2 (°C) 160
gradiënt 2 (°C/min.) 5
oven T3 (°C) 235
gradiënt 3 (°C/min.) 50
oven T4 (°C) 280 (5 min. hold)
detector T (°C) 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 AgNO3 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
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
30
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 fluorescentie scan (3D) blanco raman scan (2D)
excitatiegolflengte 220-450 nm met 5 nm stappen 350 nm
emissiegolflengte 280-600 nm met 1 nm stappen 365-450 met 0,2 nm stappen
excitatie-spleetbreedte (nm) 5 5
excitatie-spleetbreedte (nm) 5 5
gevoeligheid Hoog hoog
scansnelheid heel snel snel
responstijd (s) 0,25 0,25
sampling interval (nm) 1 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 AlltimaTM 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.
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
31
4 Resultaten en bespreking
4.1 pH en geleidbaarheid van het irrigatiewater
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.
Figuur 6: pH van het circulerende irrigatiewater voor en na zuivering
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.
0 0,5
1 1,5
2 2,5
3 3,5
4 4,5
5 5,5
6 6,5
7 7,5
Bedr.1 (substr. Aard.)
Bedr.2 (MGS sla)
Bedr.3 (MGS sla)
Bedr.4 (MGS sla)
PSKW 1 (FRS sla)
PSKW 2 (MGS sla)
Bedr.5 (MGS sla)
pH
voor zuivering
na zuivering
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
Bedr.1 (substr. Aard.)
Bedr.2 (MGS sla)
Bedr.3 (MGS sla)
Bedr.4 (MGS sla)
PSKW 1 (FRS sla)
PSKW 2 (MGS sla)
Bedr.5 (MGS sla)
Ge
leid
baa
rhei
d (
dS/
m)
voor zuivering
na zuivering
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
32
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.
Figuur 8: UV/Vis spectra voor zuivering
Figuur 9: UV/Vis spectra na zuivering
0
0,5
1
1,5
2
2,5
230 280 330 380 430
abso
rban
tie
golflengte (nm)
Bedr.1 (substr. aard.) Bedr.2 (MGS sla) Bedr.3 (MGS sla) Bedr.4 (MGS sla) PSKW1 (FRS sla)
PSKW2 (MGS sla) Bedr.5 (MGS sla)
0
0,5
1
1,5
2
2,5
230 280 330 380 430
abso
rban
tie
golflengte (nm)
Bedr.1 (substr. aard.)
Bedr.2 (MGS sla)
Bedr.3 (MGS sla)
Bedr.4 (MGS sla)
PSKW2 (MGS sla)
Bedr.5 (MGS sla)
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
33
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 UV-
absorberende 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.
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
34
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.
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).
Figuur 12: DAS spectrum van onbehandeld irrigatiewater (bedrijf 3)
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
200 300 400 500 600 700 800
Ab
sorb
anti
e
golflengte (nm)
onbehandeld irrigatiewater
irrigatiewater na actief kool behandeling
staal na actief kool, effluent na 2,5 L door hars
Onbehandeld staal, effluent na 2,5 L door hars
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0,14
230 380 530 680
Δ (
on
beh
and
eld
sta
al v
oo
r ex
tr.
- o
nb
ehan
del
d s
taal
na
extr
.)
golflengte (nm)
effluent na 2,5 L
effluent na 5 L
effluent na 7,5 L
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
35
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.
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0,14
230 380 530 680 Δ(a
ctie
f ko
ol b
ehan
del
d s
taal
vo
or
extr
.-
acti
ef k
oo
l beh
and
eld
st
aal n
a ex
tr.)
golflengte (nm)
effluent na 2,5 L
effluent na 5 L
effluent na 7,5 L
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
36
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.
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Bedr.1 (substr. Aard.)
Bedr.2 (MGS sla)
Bedr.3 (MGS sla)
Bedr.4 (MGS sla)
PSKW 1 (FRS sla)
PSKW 2 (MGS sla)
Bedr.5 (MGS sla)
CO
D (
pp
m O
2)
Voor zuivering
Na zuivering
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
37
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
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).
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Bedr.2 (MGS sla)
Bedr.3 (MGS sla)
Bedr.4 (MGS sla)
PSKW 1 (FRS sla)
PSKW 2 (MGS sla)
Bedr.5 (MGS sla)
CO
D (
pp
m O
2)
effluent na 2,5 L
effluent na 7,5 L
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Bedr.2 (MGS sla)
Bedr.3 (MGS sla)
Bedr.4 (MGS sla)
PSKW 2 (MGS sla)
Bedr.5 (MGS sla)
CO
D (
pp
m O
2)
effluent na 2,5 L
effluent na 7,5 L
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
38
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 exudaat-
gerelateerde 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.
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
39
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.) component (IUPAC + triviale naam) %
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 octaanzuur (= caprylzuur) 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-3-isopropenylnaftaleen (= 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 octaanzuur (= caprylzuur) 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 (= 2,5-dimethoxy 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 tetradecaanzuur (= myristinezuur) 0.12
19.92 hexadecaanzuur (= palmitinezuur) 1.06 19.46 9-t-hexadecaanzuur 0.09
20.82 methyl cis-6-octadecanoaat 0.96 19.9 hexadecaanzuur (= palmitinezuur) 0.44
21.61 heptadecaanzuur (= margarinezuur) 1.56 21.6 heptadecaanzuur (= margarinezuur) 0.02
22.76 (Z,Z)-octadeca-9,12-diëenzuur (= linolzuur) 0.5 21.81 heptadecaanzuur (= margarinezuur) 0.03
22.84 Z-9-octadeceenzuur (= oliezuur) 1.09 22.83 Z-9-octadeceenzuur (= oliezuur) 0.10
22.96 Z-9-octadeceenzuur (= oliezuur) 0.57 23.27 octadecaanzuur (= stearinezuur) 0.15
23.27 octadecaanzuur (= stearinezuur) 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-1H-cyclopentafenantren-3-ol (= cholesterol)
0.15
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
40
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.
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
41
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.)
component (IUPAC + triviale naam) % RT
(min.) component (IUPAC + triviale naam) %
4.39 propaan-1,2-diol (= propyleenglycol) 0.02 4.45 crotonic acid 0.01
5.04 (2S)-2-hydroxypropaanzuur (=melkzuur) 0.27 5.04 (2S)-2-hydroxypropaanzuur (=melkzuur) 0.59
5.19 2-hydroxyethaanzuur (= glycolzuur) 0.07 5.2 2-hydroxyethaanzuur (= glycolzuur) 0.07
5.36 2-oxopropaanzuur (= pyrodruivenzuur) 0.02 5.36 2-oxopropaanzuur (= pyrodruivenzuur) 0.04
5.84 oxoethaanzuur (= glyoxylzuur) 0.04 5.67 2-hydroxyethaanzuur (= glycolzuur) 0.01
6.2 fenylmethanol (= benzylalcohol) 0.01 6.2 fenylmethanol (= benzylalcohol) 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 benzeencarbonzuur (= benzoëzuur) 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 1,4-butaandizuur (= barnsteenzuur) 0.02 8.86 nonaanzuur (= pelargoonzuur) 0.10
8.41 1,2-dihydroxybenzeen (= catechol) 0.5 9.1 4-hydroxybenzaldehyde 0.01
8.69 2-buteendizuur (= fumaarzuur) 0.03 9.47 benzeen-1,3-diol (= resorcinol) 0.18
8.84 nonaanzuur (= pelargoonzuur) 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 decaanzuur (= caprinezuur) 0.06 16.24 3,4-dihydroxybenzoëzuur 0.23
10.42 2,4-cyclohexadieen-1,4-dion 0.07 16.59 tetradecaanzuur (= myristinezuur) 0.99
11.28 5-oxopyrrolidine-2-carboxylzuur (= 5-oxoproline) 0.12 17.86 hexadecaanzuur (= palmitinezuur) 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 hexadecaanzuur (= palmitinezuur) 4.08
16.11 9-tetradeceenzuur 0.04 20.39 3,4-bis(hydroxy)-5-(hydroxy)oxolan-2-on (= arabiononic acid , 1,4 lacton)
0.01
16.2 3,4-dihydroxybenzoëzuur 0.15 20.58 methyl octadeca-9,12-dienoate (= methyl ester linolzuur) 0.05
16.67 tetradecaanzuur (= myristinezuur) 7.19 20.98 methyl(Z)-octadec-9-eenoaat (= methyl ester oliezuur) 0.12
17.85 methylhexadecanoaat (= methylpalmitaat) 0.58 21.27 heptadecaanzuur (= margarinezuur) 0.16
19.34 hexadecaanzuur (= palmitinezuur) 0.04 21.38 methyl-14-methylheptadecanoaat 0.09
19.55 9-t-hexadecaanzuur 0.45 21.72 heptadecaanzuur (= margarinezuur) 0.12
20.17 hexadecaanzuur (= palmitinezuur) 10.33 22.89 (Z,Z)-octadeca-9,12-diëenzuur (= linolzuur) 0.25
21.35 Methylisostearaat 0.16 23.04 Z-9-octadeceenzuur (= oliezuur) 1.53
21.69 heptadecaanzuur (= margarinezuur) 0.17 23.11 (E)-octadec-11-eenzuur (vacceenzuur) 0.21
22.94 Z-9-octadeceenzuur (= oliezuur) 0.76 23.58 octadecaanzuur (= stearinezuur) 4.11
23.58 octadecaanzuur (= stearinezuur) 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 26.69 2,3-dihydroxypropylhexadecanoaat (= 1-Monopalmitine) 1.01
25.2 1,3-Dihydroxy-2-propanylmyristaat (= glyceryl monomyristaat)
0.97
25.42 n-eicosaanzuur (= arachidinezuur) 0.43
26.62 2,3-dihydroxypropylhexadecanoaat (= 1-monopalmitine) 3.78
27.94 1,3-dihydroxypropaan-2-yl octadecanoate (= 2-monostearine)
1.01
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
42
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.
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
43
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)
RT (min.)
component (IUPAC + triviale naam) % RT
(min.) component (IUPAC + triviale naam) %
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 fenylmethanol (= benzylalcohol) 0.69
5.06 (2S)-2-hydroxypropaanzuur (=melkzuur) 0.68 7.46 benzeencarbonzuur (= benzoëzuur) 5.10
5.21 2-hydroxyethaanzuur (= glycolzuur) 0.05 7.64 benzeencarbonzuur (= benzoëzuur) 1.54
5.38 2-oxopropaanzuur (= pyrodruivenzuur) 0.07 7.76 benzeencarbonzuur (= benzoëzuur) 0.65
5.97 2-Methylpropaanzuur 0.07 8.18 Benzeneacetic acid 0.01
6.23 fenylmethanol (= benzylalcohol) 0.26 8.34 1,4-butaandizuur (= barnsteenzuur) 0.03
6.98 3-oxobutaanzuur (= acetoazijnzuur) 0.02 8.47 1,2-dihydroxybenzeen (= catechol) 0.30
7.49 benzeencarbonzuur (= benzoëzuur) 4.23 9.16 4-Hydroxybenzaldehyde 0.04
7.73 benzeencarbonzuur (= benzoëzuur) 0.41 10.6 (E)-3-fenyl-2-propeenzuur (= kaneelzuur) 0.32
7.77 benzeencarbonzuur (= benzoëzuur) 0.26 16.27 3,4-dihydroxybenzoëzuur 0.14
7.9 propaan-1,2,3-triol (= Glycerol) 0.5 16.57 tetradecaanzuur (= myristinezuur) 0.37
8.34 1,4-butaandizuur (= barnsteenzuur) 0.03 17.47 decaandizuur (= sebacinezuur) 0.46
8.47 1,2-dihydroxybenzeen (= catechol) 0.32 17.86 methyl 13-methylpentadecanoate 0.07
8.73 2-buteendizuur (= fumaarzuur) 0.06 19.59 9-t-hexadecaanzuur 0.26
8.89 nonaanzuur (= pelargoonzuur) 0.02 19.67 9-t-hexadecaanzuur 0.18
9.5 1,3-dihydroxybenzeen (= resorcinol) 0.18 20.12 hexadecaanzuur (= palmitinezuur) 1.79
10.59 (E)-3-fenyl-2-propeenzuur (= kaneelzuur) 0.13 21.28 heptadecaanzuur (= margarinezuur) 0.20
11.24 Ethyl phenylglycinate 0.13 21.94 Methyl-2-hydroxystearaat 0.22
14.39 Methyl isotetradecanoate 0.1 23.02 Z-9-octadeceenzuur (= oliezuur) 0.80
16.28 3,4-dihydroxybenzoëzuur 0.12 23.52 octadecaanzuur (= stearinezuur) 1.88
16.67 tetradecaanzuur (= myristinezuur) 1.92 24.98 (Z)-Octa-9-decenamide 1.8
16.99 Cyclopropanenonanoicacid, 2-[(2-butylcyclopropyl)methyl]-, methyl ester
0.06 25.22 1,3-Dihydroxy-2-propanylmyristaat (= glyceryl monomyristaat)
1.07
17.45 decaandizuur (= sebacinezuur) 0.18 26.4 1,3-dihydroxypropaan-2- hexadecanoaat (= 2-monopalmitine)
0.87
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 2,3-dihydroxypropyl octadecanoate (= 1-monostearine) 0.33
20.2 hexadecaanzuur (= palmitinezuur) 2.93 28.02 1,3-dihydroxypropaan-2-yl octadecanoate (= 2-monostearine)
1.45
21.43 methyl 14-methylheptadecanoate 0.36 28.38 2,3-dihydroxypropyl octadecanoate (= 1-monostearine) 3.05
22.77 4,4-Difluororetinoic acid 0.24
23.02 Z-9-octadeceenzuur (= oliezuur) 0.77
23.61 octadecaanzuur (= stearinezuur) 3.38
26.65 2,3-dihydroxypropylhexadecanoaat (= 1-monopalmitine) 1.52
28.39 2,3-dihydroxypropyl octadecanoate (= 1-monostearine) 1.48
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
44
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.
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
45
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)
RT (min.)
component (IUPAC + triviale naam) % RT
(min.) component (IUPAC + triviale naam) %
5.01 Fenol 0.25 6.12 fenylmethanol (= benzylalcohol) 0.05
5.07 (2S)-2-hydroxypropaanzuur (=melkzuur) 0.38 7.4 benzeencarbonzuur (= benzoëzuur) 2.15
5.21 2-hydroxyethaanzuur (= glycolzuur) 0.03 7.56 decaanzuur (= caprinezuur) 0.09
5.38 2-oxopropaanzuur (= pyrodruivenzuur) 0.03 8.04 4-(1-Methylethyl)benzaldehyde (= cuminaldehyde) 0.01
5.75 2-amino-ethaanzuur (= glycine) 0.01 8.38 1,2-dihydroxybenzeen (= catechol) 0.04
5.86 oxoethaanzuur (= glyoxylzuur), 0.01 8.84 nonaanzuur (= pelargoonzuur) 0.18
6.22 fenylmethanol (= benzylalcohol) 0.07 9.63 diethyl sebacaat 0.07
6.27 4-Hydroxybutaanzuur 0.01 10.16 decaanzuur (= caprinezuur) 0.16
7.5 benzeencarbonzuur (= benzoëzuur) 2.08 10.52 (E)-3-fenyl-2-propeenzuur (= kaneelzuur) 0.11
7.83 propaan-1,2,3-triol (= Glycerol) 0.15 11.42 4-hydroxy-3-methoxybenzaldehyde (= Vanilline) 0.01
8.29 1,4-butaandizuur (= barnsteenzuur) 0.03 13.14 dodecaanzuur (= laurinezuur) 0.53
8.41 1,2-dihydroxybenzeen (= catechol) 0.08 13.37 benzylbenzoaat 0.06
8.71 2-buteendizuur (= fumaarzuur) 0.05 15.58 tetradecaanzuur (= myristinezuur) 0.04
8.77 2-Methylbenzoëzuur 0.03 16.06 tetradecaanzuur (= myristinezuur) 0.06
8.86 nonaanzuur (= pelargoonzuur) 0.03 16.1 tetradecaanzuur (= myristinezuur) 0.03
9.11 4-Hydroxybenzaldehyde 0.03 16.17 tetradecaanzuur (= myristinezuur) 0.07
9.47 benzeen-1,4-diol 0.09 16.37 tetradecaanzuur (= myristinezuur) 0.21
10.21 (E)-3-fenyl-2-propeenzuur (= kaneelzuur) 0.12 16.68 tetradecaanzuur (= myristinezuur) 13.59
14.06 benzeen-1,2-dicarbonzuur (= ftaalzuur) 0.08 16.79 tetradecaanzuur (= myristinezuur) 3.61
16.14 9-tetradeceenzuur 0.07 17.86 Methyl palmitaat 0.40
16.24 3,4-dihydroxybenzoëzuur 0.19 19.54 9-t-hexadecaanzuur 0.36
16.56 tetradecaanzuur (= myristinezuur) 0.43 19.62 hexadecaanzuur (= palmitinezuur) 0.15
17.85 methylhexadecanoaat (= methylpalmitaat) 0.15 19.88 hexadecaanzuur (= palmitinezuur) 0.38
19.57 9-t-hexadecaanzuur 0.33 20.21 hexadecaanzuur (= palmitinezuur) 13.03
20.11 hexadecaanzuur (= palmitinezuur) 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 heptadecaanzuur (= margarinezuur) 0.31 21.68 heptadecaanzuur (= margarinezuur) 0.11
21.71 heptadecaanzuur (= margarinezuur) 0.27 22.76 Z-9-octadeceenzuur (= oliezuur) 0.17
21.91 heptadecaanzuur (= margarinezuur) 0.28 22.85 Z-9-octadeceenzuur (= oliezuur) 0.55
22.88 22,76 (Z,Z)-octadeca-9,12-diëenzuur (= linolzuur) 0.37 22.96 Z-9-octadeceenzuur (= oliezuur) 1.06
22.99 Z-9-octadeceenzuur (= oliezuur) 0.79 23.03 octadecaanzuur (= stearinezuur) 0.1
23.09 (6Z)-Octadec-6-eenzuur (= petroselinezuur) 0.19 23.11 octadecaanzuur (= stearinezuur) 0.14
23.12 (E)-octadec-11-eenzuur (vacceenzuur) 0.07 23.59 octadecaanzuur (= stearinezuur) 11.44
23.48 octadecaanzuur (= stearinezuur) 1.99 25.4 n-eicosaanzuur (= arachidinezuur) 0.87
26.63 2,3-dihydroxypropylhexadecanoaat (= 1-Monopalmitine) 2.73 26.61 2,3-dihydroxypropylhexadecanoaat (= 1-Monopalmitine) 2.56
26.74 2,3-dihydroxypropylhexadecanoaat (= 1-Monopalmitine) 0.43 26.89 docosaanzuur (= beheenzuur) 0.66
27.98 2,3-dihydroxypropyloctadecanoaat (= 1-monostearine) 1.36 27.95 1,3-dihydroxypropaan-2-yl octadecanoate (= 2-monostearine)
0.9
28.36 2,3-dihydroxypropyloctadecanoaat (= 1-monostearine) 3.32 28.12 2,3-dihydroxypropyloctadecanoaat (= 1-monostearine) 0.32
28.49 2,3-dihydroxypropyloctadecanoaat (= 1-monostearine) 0.51 28.34 2,3-dihydroxypropyloctadecanoaat (= 1-monostearine) 3.9
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
46
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.
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
47
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.)
component (IUPAC + triviale naam) %
5 Fenol 0.08
5.06 (2S)-2-hydroxypropaanzuur (=melkzuur) 0.49
5.15 octaanzuur (= caprylzuur) 0.01
5.21 2-hydroxyethaanzuur (= glycolzuur) 0.06
5.38 2-oxopropaanzuur (= pyrodruivenzuur) 0.07
5.85 oxoethaanzuur (= glyoxylzuur) 0.01
6.17 4-methylfenol (= paracresol) 0.03
6.21 fenylmethanol (= benzylalcohol) 0.07
7.48 benzeencarbonzuur (= benzoëzuur) 1.35
7.59 Octanoic acid (= octaanzuur (= caprylzuur)) 0.07
7.82 propaan-1,2,3-triol (= glycerol) 0.08
8.73 2-buteendizuur (= fumaarzuur) 0.04
8.78 2-methylbenzoëzuur 0.02
8.87 nonaanzuur (= pelargoonzuur) 0.11
9.14 4-Hydroxybenzaldehyde 0.03
9.49 benzeen-1,4-diol 0.08
11.45 4-hydroxy-3-methoxybenzaldehyde (= Vanilline) 0.01
16.55 tetradecaanzuur (= myristinezuur) 0.52
17.85 methylhexadecanoaat (= methylpalmitaat) 0.18
18.26 pentadecaanzuur 0.16
19.63 9-t-hexadecaanzuur 0.44
20.1 hexadecaanzuur (= palmitinezuur) 2.45
21.41 methyloctanoaat (= methyl ester van stearinezuur) 0.2
21.73 heptadecaanzuur (= margarinezuur) 0.13
23.01 Z-9-octadeceenzuur (= oliezuur) 0.55
23.11 Z-9-octadeceenzuur (= oliezuur) 0.24
23.49 octadecaanzuur (= stearinezuur) 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 -1H-cyclopenta[a]phenanthren-3-ol (= beta.-sitosterol)
1.67
26.66 2,3-dihydroxypropylhexadecanoaat (= 1-Monopalmitine) 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.
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
48
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)
RT (min.)
component (IUPAC + triviale naam) % RT
(min.) component (IUPAC + triviale naam) %
5 (2S)-2-hydroxypropaanzuur (=melkzuur) 0.31 5.06 (2S)-2-hydroxypropaanzuur (=melkzuur) 0.20
6.83 1,2-dihydroxybenzeen (= catechol) 0.01 5.22 2-hydroxyethaanzuur (= glycolzuur) 0.02
7.41 benzeencarbonzuur (= benzoëzuur) 0.3 5.38 2-oxopropaanzuur (= pyrodruivenzuur) 0.03
8.39 1,2-dihydroxybenzeen (= catechol) 0.15 5.75 2-amino-ethaanzuur (= glycine) 0.01
8.85 nonaanzuur (= pelargoonzuur) 0.02 5.87 oxoethaanzuur (= glyoxylzuur) 0.01
9.46 benzeen-1,4-diol 0.04 6.06 3-Hydroxypropaanzuur 0.02
16.39 tetradecaanzuur (= myristinezuur) 0.02 6.22 fenylmethanol (= benzylalcohol) 0.07
16.48 tetradecaanzuur (= myristinezuur) 0.38 6.28 4-Hydroxybutaanzuur 0.01
19.5 9-t-hexadecaanzuur 0.17 6.85 propaandizuur (= malonzuur) 0.01
19.62 hexadecaanzuur (= palmitinezuur) 0.12 7.49 benzeencarbonzuur (= benzoëzuur) 1.33
19.83 hexadecaanzuur (= palmitinezuur) 0.28 7.85 propaan-1,2,3-triol (= glycerol) 0.85
20.01 hexadecaanzuur (= palmitinezuur) 3.26 8.28 1,4-butaandizuur (= barnsteenzuur) 0.08
22.88 Z-9-octadeceenzuur (= oliezuur) 0.64 8.41 1,2-dihydroxybenzeen (= catechol) 0.16
23.17 octadecaanzuur (= stearinezuur) 0.2 8.86 nonaanzuur (= pelargoonzuur) 0.06
23.38 octadecaanzuur (= stearinezuur) 3.44 8.96 fenoxyethanol 0.22
26.34 1,3-dihydroxypropaan-2- hexadecanoaat (= 2-monopalmitine)
4.96 9.11 4-Hydroxybenzaldehyde 0.05
26.62 2,3-dihydroxypropylhexadecanoaat (= 1-Monopalmitine) 7.92 9.47 benzeen-1,4-diol 0.08
27.95 1,3-dihydroxypropaan-2-yl octadecanoate (= 2-monostearine)
1.72 10.19 (E)-3-fenyl-2-propeenzuur (= kaneelzuur) 0.16
28.34 2,3-dihydroxypropyl octadecanoate (= 1-monostearine) 8.13 10.55 (E)-3-fenyl-2-propeenzuur (= kaneelzuur) 0.13
14.03 benzeen-1,2-dicarbonzuur (= ftaalzuur) 0.11
16.13 9-tetradeceenzuur 0.14
16.22 3,4-dihydroxybenzoëzuur 0.27
16.6 tetradecaanzuur (= myristinezuur) 1.26
17.61 heptadecaanzuur (= margarinezuur) 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 hexadecaanzuur (= palmitinezuur) 4.32
21.26 heptadecaanzuur (= margarinezuur) 0.55
21.36 methyl-14-methylheptadecanoaat 0.34
21.71 heptadecaanzuur (= margarinezuur) 0.65
22.88 22,76 (Z,Z)-octadeca-9,12-diëenzuur (= linolzuur) 0.39
23 Z-9-octadeceenzuur (= oliezuur) 1.17
23.6 octadecaanzuur (= stearinezuur) 4.61
25.14 hexaan-1,6-dizuur (= adipinezuur) 1.22
25.2
1,3-Dihydroxy-2-propanylmyristaat (= glyceryl monomyristaat)
0.9
25.43 n-eicosaanzuur (= arachidinezuur) 0.75
26.64 2,3-dihydroxypropylhexadecanoaat (= 1-Monopalmitine) 3.86
27.02 3,5-dimethoxy-2-hydroxy-2-fenylethaanzuur (= 3,5-dimethoxy amandelzuur)
0.44
28.41 2,3-dihydroxypropyl octadecanoate (= 1-monostearine) 4.12
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
49
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.
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
50
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)
RT (min.)
component (IUPAC + triviale naam) % RT
(min.) component (IUPAC + triviale naam) %
4.31 ethylene glycol 0.04 5.08 (2S)-2-hydroxypropaanzuur (=melkzuur) 0.45
5.09 (2S)-2-hydroxypropaanzuur (=melkzuur) 0.84 5.24 2-hydroxyethaanzuur (= glycolzuur) 0.04
5.23 2-hydroxyethaanzuur (= glycolzuur) 0.08 5.4 2-oxopropaanzuur (= pyrodruivenzuur) 0.02
5.39 2-oxopropaanzuur (= pyrodruivenzuur) 0.04 7.45 benzeencarbonzuur (= benzoëzuur) 1.12
5.87 oxoethaanzuur (= glyoxylzuur) 0.01 7.59 octaanzuur (= caprylzuur) 0.02
6.23 fenylmethanol (= benzylalcohol) 0.01 7.82 propaan-1,2,3-triol (= Glycerol) 0.33
7.18 2-oxopropaanzuur (= pyrodruivenzuur) 0.04 8.22 3-Hydroxyhexaanzuur 0.09
7.47 benzeencarbonzuur (= benzoëzuur) 2.83 8.28 1,4-butaandizuur (= barnsteenzuur) 0.03
8.28 1,4-butaandizuur (= barnsteenzuur) 0.07 8.4 1,2-dihydroxybenzeen (= catechol) 0.10
8.4 1,2-dihydroxybenzeen (= catechol) 0.12 8.85 nonaanzuur (= pelargoonzuur) 0.03
8.45 1,4-butaandizuur (= barnsteenzuur) 0.04 9.1 4-Hydroxybenzaldehyde 0.02
8.81 2-methylideenbutaandizuur (= methyleenbarnsteenzuur) 0.03 9.46 benzeen-1,4-diol 0.07
8.85 nonaanzuur (= pelargoonzuur) 0.05 10.15 decaanzuur (= caprinezuur) 0.03
8.96 Fenoxyethanol 0.19 10.95 hexaan-1,6-dizuur (= adipinezuur) 0.02
9.1 4-Hydroxybenzaldehyde 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 benzeen-1,2-dicarbonzuur (= ftaalzuur) 0.07
10.15 decaanzuur (= caprinezuur) 0.04 14 benzeen-1,2-dicarbonzuur (= ftaalzuur) 0.12
10.18 (E)-3-fenyl-2-propeenzuur (= kaneelzuur) 0.05 16.1 9-tetradeceenzuur 0.01
10.91 hexaan-1,6-dizuur (= adipinezuur) 0.04 16.2 3,4-dihydroxybenzoëzuur 0.08
11.41 4-hydroxy-3-methoxybenzaldehyde (= Vanilline) 0.03 17.37 decaandizuur (= sebacinezuur) 0.16
13.99 benzeen-1,2-dicarbonzuur (= ftaalzuur) 0.08 17.8 hexadecaanzuur (= palmitinezuur) 0.17
16.2 3,4-dihydroxybenzoëzuur 0.19 19.52 9-t-hexadecaanzuur 0.22
17.38 decaandizuur (= sebacinezuur) 0.36 19.6 9-t-hexadecaanzuur 0.07
17.57 4-Hydroxy-3,5-dimethoxybenzoëzuur 0.06 20.09 hexadecaanzuur (= palmitinezuur) 6.4
17.81 methylhexadecanoaat (= methylpalmitaat) 0.19 21.2 heptadecaanzuur (= margarinezuur) 0.07
19.53 9-t-hexadecaanzuur 0.39 21.66 heptadecaanzuur (= margarinezuur) 0.07
19.62 9-t-hexadecaanzuur 0.26 22.82 22,76 (Z,Z)-octadeca-9,12-diëenzuur (= linolzuur) 0.27
20.38 Aceglutamide 0.02 22.91 Z-9-octadeceenzuur (= oliezuur) 0.69
20.89 methyl-7-octadecenoaat 0.05 23.02 Z-9-octadeceenzuur (= oliezuur) 0.29
21.2 heptadecaanzuur (= margarinezuur) 0.13 23.47 octadecaanzuur (= stearinezuur) 7
21.66 heptadecaanzuur (= margarinezuur) 0.08 26.62 2,3-dihydroxypropylhexadecanoaat (= 1-Monopalmitine) 5.27
21.87 heptadecaanzuur (= margarinezuur) 0.07 28.34 2,3-dihydroxypropyl octadecanoate (= 1-monostearine)e 5.64
22.83 22,76 (Z,Z)-octadeca-9,12-diëenzuur (= linolzuur) 0.27
22.93 Z-9-octadeceenzuur (= oliezuur) 0.77
23.03 Z-9-octadeceenzuur (= oliezuur) 0.22
23.43 octadecaanzuur (= stearinezuur) 3.36
25.41 n-eicosaanzuur (= arachidinezuur) 0.92
26.64 2,3-dihydroxypropylhexadecanoaat (= 1-Monopalmitine) 6.17
28.35 2,3-dihydroxypropyl octadecanoate (= 1-monostearine) 6.19
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
51
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.
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
52
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)
RT (min.)
component (IUPAC + triviale naam) % RT
(min.) component (IUPAC + triviale naam) %
5.07 (2S)-2-hydroxypropaanzuur (=melkzuur) 0.29 5.02 (2S)-2-hydroxypropaanzuur (=melkzuur) 0.13
5.22 2-hydroxyethaanzuur (= glycolzuur) 0.06 5.23 2-hydroxyethaanzuur (= glycolzuur) 0.04
5.39 2-oxopropaanzuur (= pyrodruivenzuur) 0.02 6.23 fenylmethanol (= benzylalcohol) 0.04
5.88 3-Hydroxyisovaleric acid of 2-Hydroxyvaleric acid 0.02 6.28 4-Hydroxybutanoic acid 0.01
6.22 fenylmethanol (= benzylalcohol) 0.05 7.44 benzeencarbonzuur (= benzoëzuur) 0.39
6.27 3-Hydroxybutaanzuur 0.02 7.59 octaanzuur (= caprylzuur) 0.1
7.43 benzeencarbonzuur (= benzoëzuur) 0.33 8.86 nonaanzuur (= pelargoonzuur) 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 octaanzuur (= caprylzuur) 0.09 10.84 1-Methyl-2-(2'-methylphenyl)benzene 0.1
8.28 1,4-butaandizuur (= barnsteenzuur) 0.11 13.16 dodecaanzuur (= laurinezuur) 0.92
8.86 nonaanzuur (= pelargoonzuur) 0.23 20.25 hexadecaanzuur (= palmitinezuur) 8.76
9.54 benzeen-1,4-diol 0.03 20.35 hexadecaanzuur (= palmitinezuur) 6.35
10.56 (E)-3-fenyl-2-propeenzuur (= kaneelzuur) 0.24 21.24 heptadecaanzuur (= margarinezuur) 0.05
10.61 Dihydrocoumarin, 4,4,5,7,8-pentamethyl 0.33 21.69 heptadecaanzuur (= margarinezuur) 0.18
10.99 hexaan-1,6-dizuur (= adipinezuur) 0.22 23.01 Z-9-octadeceenzuur (= oliezuur) 1.06
11.28 5-oxopyrrolidine-2-carboxylzuur (= 5-oxoproline) 0.25 23.77 octadecaanzuur (= stearinezuur) 15.46
12.77 Isopropyl dodecanoaat 0.09 24.95 2,3-dihydroxypropyltetradecanoaat (= 2-monomyristine) 0.44
16.27 3,4-dihydroxybenzoëzuur 0.15 25.42 n-eicosaanzuur (= arachidinezuur) 0.59
19.7 9-t-hexadecaanzuur 0.34 26.66 hexadecaanzuur (= palmitinezuur) 6.21
19.88 (2E,4E,6E,8E)-3,7-dimethyl-9-(2,6,6-trimethylcyclohexen-1-yl)nona-2,4,6, 8-tetraeenzuur (retinolzuur)
0.42 27.94 1,3-dihydroxypropaan-2-yl octadecanoate (= 2-monostearine)
0.97
20.24 hexadecaanzuur (= palmitinezuur) 8.31 28.43 1,3-Dihydroxy-2-propanylmyristaat (= glyceryl
monomyristaat) 7.07
21.27 heptadecaanzuur (= margarinezuur) 0.18
21.52 Octadec-9Z-enol 0.62
22.9 (Z,Z)-octadeca-9,12-diëenzuur (= linolzuur) 0.49
23.04 Z-9-octadeceenzuur (= oliezuur) 1.19
23.55 octadecaanzuur (= stearinezuur) 4.71
24.46 (1R,4aR,4bS,7S,10aR)-1,4a,7-Trimethyl-7-vinyl-3,4,4b,5,6,9,10,10a-octahydro-2H-fenanthreen-1-carboxylzuur (=Pimaric acid)
0.39
24.98 3-(4-hydroxy-3,5-dimethoxyfenyl)prop-2-eenzuur (= sinapinezuur)
0.46
25.11 Abieta-8(14),9(11),12-trien-18-oic acid (= abietinezuur) (resin acid)
1.52
25.41 n-eicosaanzuur (= arachidinezuur) 0.48
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
53
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
Bedrijf
1
Bedrijf
2
Bedrijf
3
Bedrijf
4
Bedrijf
5
PSKW1 PSKW2 Bedrijf
6
Vr. Na Vr. Na Vr. Na Vr. Na Vr. Na Vr. Na Vr. Na
melkzuur
barnsteenzuur
adipinezuur
palmitinezuur
stearinezuur
laurinezuur
benzoëzuur
ftaalzuur
kaneelzuur
vanillinezuur
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
54
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 micro-
organismen 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.
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
piek benzoëzuur
piek benzoëzuur
tijd (min.)
tijd (min.)
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
55
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.
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 voor/na
zuivering concentratie
benzoëzuur(ppb) concentratie benzoëzuur
(µmol/L) verwijdering
(%)
1 voor 23,4 0,192
82.8 na* 4,02 0,033
2 voor NG NG
/ na* 19,3 0,158
3 voor 27,3 0,224
82.1 na* 4,88 0,040
4 voor 22,2 0,182
62.7 na* 8,29 0,068
PSKW 1 * 13,2 0,108 /
PSKW 2 voor* 13,8 0,113
68.8 na* 4,32 0,035
5 voor* 8,07 0,066
/ na NG NG
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.
y = 0,8975x + 1,6176 R² = 0,9904
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 20 40 60 80 100 120
op
per
vlak
concentratie (ppb)
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
56
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 (fmax) 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.
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
57
Tabel 18: tabel met fmax waarden en relatieve verwijderingspercentages voor de verschillende componenten in het staalwater van bedrijf 2
Fmax1 Fmax2 Fmax3 Fmax4 Fmax5
identificatie fulvine -en
humuszuren fulvine -en
humuszuren /
fulvine -en humuszuren
microbiële bijproducten
voor AK 1,0 0,6 1,8 0,2 0,4
na AK 0,9 0,5 1,6 0,2 0,2
verwijdering (%)
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
Fmax1 Fmax2 Fmax3 Fmax4 Fmax5
identificatie fulvine -en
humuszuren fulvine -en
humuszuren fulvine -en
humuszuren fulvine -en
humuszuren microbiële
bijproducten
voor AK 0,6 0,5 0,4 0,1 0,4
na AK 1,1 0,6 0,4 0,3 0,3
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).
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
58
Tabel 20: tabel met fmax waarden en relatieve verwijderingspercentages voor de verschillende componenten in het staalwater van bedrijf 4
Fmax1 Fmax2 Fmax3 Fmax4 Fmax5
identificatie fulvine -en
humuszuren fulvine -en
humuszuren fulvine -en
humuszuren fulvine -en
humuszuren microbiële
bijproducten
Voor AK 0,9 0,6 3,0 0,4 0,2
Na AK 0,9 0,6 2,5 0,4 0,3
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).
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
59
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
Fmax1 Fmax2 Fmax3 Fmax4 Fmax5
identificatie fulvine -en
humuszuren fulvine -en
humuszuren fulvine -en
humuszuren microbiële
bijproducten microbiële
bijproducten
Voor AK 0,092 0,079 0,037 0,013 0,015
Na AK 0,134 0,098 0,049 0,024 0,020
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 Fmax2 Fmax3 Fmax4 Fmax5
identificatie / fulvine -en
humuszuren /
fulvine -en humuszuren
microbiële bijproducten
voor AK 3,5 0,9 2,7 0,3 0,3
na AK 2,6 0,4 1,7 0,2 0,2
verwijdering (%)
26,2 52,5 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
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
60
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
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
61
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.
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
62
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.1365-
3040.2009.01926.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.
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
63
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.
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
64
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.
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
65
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 paral- lel 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].
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
66
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.
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
67
Bijlagen
Figuur 1: Contourplots van de verschillende componenten uit het afvalwater van bedrijf 3 (MGS)
Figuur 2: Contourplots van de verschillende componenten uit het afvalwater van bedrijf 4 (MGS)
Karakterisering en analyse van wortelexudaten in irrigatiewater van sla- en aardbeienteelten op hydrocultuur
68
Figuur 3: Contourplots van de verschillende componenten uit het afvalwater van PSKW 2 (MGS)
Figuur 4: Contourplots van de verschillende componenten uit het afvalwater van bedrijf 5 (MGS)