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Sustainable utilization of untreated sewage of fish farms for the cost-effective production of biomass plants – a “win win” situation.

Florian Süßel (2013)

Masterthesis vom 02.09.2013

 

Sustainable utilization of untreated sewage of fish farms for the cost-effective production of biomass plants – a “win win” situation.


Umweltverträgliche Nutzung von Abwässern aus Fischaufzuchtanlagen für die rentable Produktion von Biomassepflanzen– eine „Win Win“ Situation.


Abstract

After estimations of the OECD and the FAO, the agricultural sector of the 21th century faces a change in handling the applied environmental resources. In consideration of losing fertile soil, the dramatic absence of water in many areas and the increasing expense of exploiting fertilizer feedstock, an efficient and sustainable utilization of resources is necessary. While searching for alternative water- and nutrition sources, the attention focuses on the possibility of using waste water to irrigate crops under the aspect of the integrated ecological agriculture.

By the performance of a greenhouse experiment with Chenopodium quinoa, this study examined the applicability of untreated fish farm sewage (FTW). This experiment will show the possible influence on plant growth by giving proportionate waste water during the irrigation of seawater. In addition, the sediment of the fish-farming pond (FTS) was also used to evaluate the whole fertilization potential of the non-faunal-waste of a fish farm.

The results show a positive effect on the conditions of growth, indicated by an increase of growth and biomass production, caused by an addition of proportionate FTW. An optimised growth was not achieved, because of insufficient fertilization. The application of FTS show a partial improvement, however not with the same effect like established fertilizer. Furthermore, the reducing of the growth by salinity and lack of nutrients could be explained by a decrease of gas exchange as well as by the influence of ion toxicity and (photo-) oxidative reactions. Complementary to this, adaptions of the photosynthetic apparatus and the ion uptake by C. quinoa were found; the latter is needed by the salt-includer for its osmotic adjustment. In contrast to bibliographical references, the plant shows under the influence of salinity an excessive accumulation of potassium instead of sodium. It is possible that the reason for this can be found in the specific mineralisation of the natural seawater.

Finally, this study gives an overview of the applicability and the future of waste water in modern agriculture. Moreover, it describes the special attributes of the wide-ranging resistances of C. quinoa as well as the nutrient content, which create the nimbus of maybe the most important crop of the 21th century.

Kurzfassung

Nach Einschätzung der OECD und FAO steht die industrielle Landwirtschaft im 21. Jahrhundert vor einem Wandel im Umgang mit den von ihr beanspruchten Ressourcen. Die zunehmende Verknappung von landwirtschaftlich nutzbaren Flächen, der mancherorts eklatante Mangel an Frischwasser und die immer aufwendigere Beschaffung von Düngerrohstoffen erzwingen eine effizientere und verantwortlichere Nutzung der vorhandenen Grundstoffe. Für die Erschließung neuer Bewässerungs- und Nährstoffquellen rücken zunehmend Abwässer verschiedensten Ursprungs in den Fokus der Wissenschaft und werden unter dem Aspekt der integrierten ökologischen Landwirtschaft in die moderne Pflanzenproduktion aufgenommen.

Um das Bewässerungspotential des Abwassers einer terrestrischen Fischzuchtanlage (FTW) zu evaluieren, wurde ein Gewächshausversuch mit Chenopodium quinoa Wild. angesetzt. Dieser soll den Einfluss von anteilig beigemischtem Abwasser auf das Wachstum der Kulturpflanze unter Salzwasserbelastung beurteilen. Um das gesamte Düngungspotenzial von nichttierischen Abfällen der Fischzucht auszuloten, wurde zusätzlich das Sediment des Fischteichs (FTS) als Feststoffdünger aufgebracht.

Die Ergebnisse zeigen, dass die anteilige Einbringung von FTW in die Salzwasserbewässerung zu einer Verbesserung der Wachstumsbedingungen führt, was in einer gesteigerten Wachstumsrate, wie auch Biomasseproduktion mündet. Allerdings konnte aufgrund einer unzureichenden Nährstoffversorgung kein optimiertes Wachstum erzielt werden. Die Aufbringung von FTS konnte dieses Defizit partiell ausgleichen, jedoch erreicht das Sediment bei den verwendeten Mengen nicht den Düngungseffekt, wie er von etablierten Nährstofflieferanten zu erwarten wäre. Darüber hinaus konnte die Reduktion des Gaswechsels, wie auch die Zunahme von ionentoxischen und (photo)-oxidativen Einflüssen als Ursachen für die Reduzierung des Wachstums, unter Erhöhung des Salzgehaltes sowie dem Nährstoffmangel, identifiziert werden. Ergänzend fanden sich Besonderheiten in der Adaptation des Photosyntheseapparates, wie auch bei der Ionenaufnahme von C. quinoa, welche die Includerpflanze zur osmotischen Anpassung befähigt. Anders als in der Literatur beschrieben, zeigten die Pflanzen eine exzessive Kaliumaufnahme statt einer Natriumakkumulation wie unter Salzbelastung üblich. Dabei scheint die Verwendung von Salzwasser mit natürlich vorkommender Mineralzusammensetzung der Schlüssel zum Verständnis dieser Eigenheit zu sein.

Letztlich bietet die Studie einen Überblick über die Verwendbarkeit und Zukunft von Abwässern in der modernen Kulturlandwirtschaft. Zudem stellt sie die besonderen Eigenschaften der multiplen Resistenzen und des ungewöhnlichen Nährwertes von C. quinoa dar, welche ihr den Nimbus der vielleicht wichtigsten Kulturpflanze des 21. Jahrhunderts verleihen.