Date of Award

5-2021

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science (MS)

Department

Veterinary Medicine

First Advisor

Dr. Elke Neumann

Abstract

Hydroponic plant production involves the cultivation of plants in absence of soil. In this system, the supply of the plant root with water and nutritional elements occurs via a nutrient solution made of inorganic salts. Hydroponic plant cultivation often achieves higher yields, water use efficiencies and quality of crops compared with soil production. In addition, it renders the farming system independent from soil properties. However, the currently available systems rely on the steady input of non-renewable inorganic salts. Unlike soil-based systems, hydroponics, so far, do not offer feasible opportunities for recycling nutritional elements from within crop residues or organic waste materials. The main aim of this thesis was thus to elucidate the potential of producing nutrient solutions suitable for hydroponic plant cultivation from locally produced vegetable crop residues, commercial compost, and biosolids. In a first experiment, the release of soluble nutritional elements from the organic test materials was investigated over time and for different substrate/water ratios. Dried and ground organic substrate samples were placed into nylon mesh bags and allowed to extract and mineralize in aerated water for up to 23 days. The release of nutritional elements was monitored at intervals of three days and revealed that the highest amounts of soluble nutrients were present in the extraction solution between 3 and 6 days after the set-up of the trial. The use of one L of water for the extraction of six g of dry organic substrate resulted in the highest nutrient release. In a second experiment, the ability of two different nutrient solutions produced from organic waste materials to support the growth and element uptake of corn and cucumber seedlings was investigated. Either dry and ground biosolids or cucumber crop residues were extracted and mineralized for five days in aerated water before the extraction solution was used as a growth medium for hydroponic plant seedlings. A control treatment was supplied with a standard nutrient solution prepared from mineral fertilizer salts. The results revealed that all tested solutions well supported the growth of the seedlings. The solution prepared from biosolids was superior to the one deriving from cucumber leaves. Cucumber plants growing on the biosolid solution grew even better than those on the standard mineral nutrient solution. Corn plants performed best on the standard nutrient solution and the least on the one prepared from cucumber leaves. The results of this study suggest that recycling nutritional elements from organic waste materials into vii hydroponic plant production systems is well possible, using a relatively simple and cheap extraction procedure that could easily be upscaled. Biosolids might be particularly suitable in this respect, and hydroponic plant production might be a feasible way of valorizing this material, which is currently largely dumped into landfills.

Comments

يشمل نظام الزراعة المائية زراعة النباتات في غياب التربة، في هذا النظام يتم إمداد جذور النبات بالماء والعناصر الغذائية عن طريق محلول مغذي مكون من مركبات الأسمدة المصنعة، غالبا ما تحقق النباتات في نظام الزراعة المائية انتاجية أعلى وكفاءة في استخدام المياه وجودة انتاج أفضل مقارنة بالزراعة في التربة. بالإضافة إلى ذلك، نظام الزراعة المائية مستقل عن خصائص التربة بشكل كلي. ومع ذلك، فإن الأنظمة المتاحة حاليا تعتمد على المدخلات الزراعية من موارد غير متجددة مثل مركبات الأسمدة المصنعة، على عكس الزراعة في التربة نظام الزراعة المائية لا يوفر حتى الآن فرصا مجدية لإعادة تدوير العناصر الغذائية من بقايا المحاصيل أو مواد المخلفات العضوية، إن الهدف الرئيسي من هذه الأطروحة هو البحث في إمكانية إنتاج محاليل مغذية مناسبة لنظام الزراعة المائية من بقايا المحاصيل النباتية المنتجة محليا، والسماد العضوي المحلي، والمواد الصلبة الحيوية.

في بداية الدراسة، تم إجراء تجارب لفحص إطلاق العناصر الغذائية القابلة للذوبان من مواد الاختبار العضوية بمرور الوقت ووفق تراكيز مختلفة، حيث تم وضع عينات من المواد العضوية المجففة والمطحونة في أكياس شبكية من النايلون وتركها في وسط مائي في ظروف هوائية لمدة تصل إلى 23 يوما. تم كذلك مراقبة تحرر وتمعدن العناصر الغذائية على فترات مدتها ثلاثة أيام، ووجد أن أعلى كمية من العناصر الغذائية القابلة للذوبان كانت في مستخلص العينات بين 3 و6 أيام بعد بدء التجربة، بناء

على هذه التجربة يتبين أن أعلى كمية من العناصر المغذية يمكن استخلاصها باستخدام 6 جرام من المواد العضوية الجافة في لتر واحد من الماء.

في المرحلة الثانية من التجربة، تم دراسة قدرة محاليل مغذية مختلفة تم انتاجها من مخلفات عضوية لدعم نمو شتلات الذرة والخيار وقدرتها على امتصاص العناصر من المحاليل المغذية، تم استخدام المواد الصلبة الحيوية ومخلفات محصول الخيار كمواد أولية لتحضير المحاليل العضوية، وقد تم الإستخلاص عن طريق إضافة المواد العضوية الجافة في الماء بتركيز 6 جرام / لترفي ظروف التهوية لمدة خمسة أيام قبل أن يتم البدء في استخدامها في نظام الزراعة المائية، تم كذلك استخدام محلول مغذي قياسي محضر من أملاح الأسمدة المعدنية كشاهد في التجربة، أظهرت النتائج أن الشتلات نمت بشكل جيد في المحاليل المغذية العضوية ، حيث أن المحلول المغذي العضوي من المواد الصلبة الحيوية أعطى نتائج أفضل مقارنة بالمحلول العضوي المحضر من مخلفات أوراق الخيار، بالنسبة لنبات الخيار، كان نموه أفضل في المحلول المغذي المحضر من المواد الصلبة الحيوية مقارنة بالمحلول المغذي القياسي ، أما بالنسبة لنبات الذرة ، فقد كان نموها أفضل في المحلول المغذي القياسي وأقل في المحلول المغذي المحضر من أوراق الخيار ، تشير نتائج هذه الدراسة إلى أن إعادة استخدام العناصر المغذية للمخلفات العضوية في أنظمة انتاج الزراعة المائية هو أمر ممكن جدا ، وذلك عن طريق إجراء عملية استخلاص بسيطة نسبيا ورخيصة الثمن يمكن التوسع فيها بسهولة ، قد تكون المواد الصلبة الحيوية مناسبة بشكل خاص في هذا الصدد ، وقد يكون انتاج نباتات الزراعة المائية طريقة مجدية لتثمين هذه المادة ، والتي يتم حاليا رميها إلى حد كبير في مكب النفايات .

Download
COinS