Het effect van elektrische stimulatie op de groei van jonge tomaatplanten bij verschillende nutriëntenconcentraties van de voedingsoplossing

Stijn

Olyslaegers

Planten laten groeien op elektrische stroom: Fictie of realiteit?

De glastuinbouw in Vlaanderen is de laatste decennia steeds intensiever geworden. De grote input aan snel duurder wordende anorganische kunstmeststoffen en energie voor o.a. verwarming en kunstmatige belichting doet de productiekosten echter sterk oplopen. De zoektocht naar milieuvriendelijkere en goedkopere productiemethoden haalde een oude - weliswaar geen ondubbelzinnige - techniek van onder het stof, namelijk “elektrocultuur”.

Planten en elektriciteit: geen vreemden voor elkaar

Hoewel planten en elektriciteit op het eerste zicht weinig met elkaar te maken hebben, worden verschillende mechanismen in planten elektrisch aangestuurd, net zoals de zenuwen bij mens en dier. Het meest visuele voorbeeld hiervan betreft de dichtklappende vallen van vleesetende planten. Aangezien elektrische velden constant en overal ter wereld aanwezig zijn, lijkt het dan ook logisch dat planten hieraan zijn aangepast. Maar wat zou de invloed zijn op de plant wanneer deze zwakke natuurlijke elektrische velden al dan niet bewust worden gemanipuleerd en/of gewijzigd?

Elektrocultuur is zo oud als de straat

Wie denkt dat dergelijke stimulatie van planten door verandering van natuurlijke elektrische omstandigheden een totaal nieuw idee is, is verkeerd. Reeds voor het fenomeen ‘elektriciteit’ goed en wel ontdekt was, werd door verschillende wetenschappers in de 18de eeuw opgemerkt dat de oogst van belangrijke graangewassen hoger was naarmate de onweersfrequentie, een vorm van natuurlijk opgewekte elektriciteit, tijdens de groeiperiode hoger lag. Toen in het begin van de 19de eeuw de elektrische batterij zijn intrede deed en elektriciteit hierdoor voor de mens toegankelijker werd, werden door tal van wetenschappers over heel Europa testen uitgevoerd om plantengroei elektrisch te stimuleren. De term ‘elektrocultuur’ werd zo in het leven geroepen. Tot op de dag van vandaag zijn er echter geen eenduidige conclusies te trekken, noch over de gevolgen van elektrische stimulatie, noch over de onderliggende mechanismen die zorgen voor een verbeterde al dan niet slechtere plantengroei.

Twee toepassingsmogelijkheden voor de prijs van één

Het gebruik van elektriciteit in combinatie met planten die voortdurend moeten bewaterd worden, lijkt misschien niet ongevaarlijk voor een teler. De realiteit is echter heel wat minder spectaculair. In de proefopzet die in deze thesis werd uitgetest, werden veelbelovende resultaten gevonden bij spanningsopleggingen van amper één volt. Het feit dat de elektroden, vergelijkbaar met de plus- en minpool van een batterij, niet direct met de plant in aanraking komen, maakt het voor de telers bovendien extra gebruiksvriendelijk. Simpelweg een elektrisch veld aanleggen over het groeisubstraat, waarin de plantenwortels zich bevinden, was in dit onderzoek voldoende om bij bepaalde planten tot 60% meer biomassa te produceren in vergelijking met normale “spanningsvrije” omstandigheden. Eveneens bleek elektrocultuur in staat de actuele hoeveelheid toegediende, prijzige voedingsstoffen met de helft te doen dalen zonder daarbij aan gewasopbrengst in te boeten. Iets wat niet mogelijk bleek zonder spanningsoplegging. Een teler kan dus zelf uitmaken of hij deze techniek beter aanwendt als kostenbespaarder of als opbrengstverhoger.

Veelbelovende resultaten, maar de weg is nog lang…

De criticus onder u zal al door hebben dat er een ‘maar’ verbonden is aan dit succesverhaal. Er valt immers wel een kost weg of er komen gewasopbrengsten bij, maar elektrocultuur is uiteraard niet gratis. Het zal misschien verbazen dat de elektriciteitskost op zich verwaarloosbaar laag is, en dit door de zeer zwakke stroompjes die door de groeisubstraten lopen. Anderzijds ligt de prijs van koolstofvilt, de meest aangewezen elektrode, vooralsnog te hoog om de onderzochte techniek onmiddellijk rendabel te maken. Bovendien bleken ook klimatologische omstandigheden een invloed te hebben op de gevonden resultaten. Bij droogte- en/of hittestress bleken de gunstige effecten van de elektriciteit op de planten te zijn verdwenen, iets wat de betrouwbaarheid van deze techniek uiteraard niet ten goede komt.

Om deze laatste op te krikken werd een poging ondernomen om een idee te schetsen van de mogelijke mechanismen die een verbeterde plantengroei onder elektrische stimulatie kunnen verklaren. Een verbetering van de fysicochemische eigenschappen van het groeisubstraat - rotswol in dit onderzoek - kwam hierbij als belangrijkste naar voor. De voedingsstoffen voor de planten bevonden zich hierdoor in meer geconcentreerde en beter opneembare omstandigheden, waardoor de plant zich als het ware minder moest inspannen om zich te voeden. Er zijn echter ook aanwijzingen dat de plant zelf beïnvloed wordt door het elektrische veld, waardoor een verhoogde voedingsopname via actief ionentransport in werking wordt gesteld.

Het staat vast dat door de explosieve aangroei van de wereldbevolking de prijzen van minerale meststoffen en voedsel zullen blijven stijgen. Elektrocultuur heeft in dit onderzoek aangetoond op beide problemen een antwoord te kunnen bieden, mits enkele belangrijke pijnpunten kunnen worden verholpen of beter in kaart kunnen worden gebracht. Er is dus nog werk aan de winkel, maar voorlopig is er dus geen enkele reden om uit dit bijzonder interessante onderzoek de stekker te trekken.

Bibliografie

Adams, P., (2002): “Nutritional control in hydroponics. In: Hydroponic production of vegetables and ornamentals.” Savvas. D. & Passam, H. ed., Embryo Publications, p. 211-261.

Arnon, D.I., Fratzke, W. E. & Johnson, C.M., (1942): “Hydrogen ion concentrations in relation to absorption of inorganic nutrients by higher plants.” Plant physiology, 17 (4), p. 515-524.

Atherton, J.G. & Rudich, J. (eds), (1986): “The tomato crop. A scientific basis for improvement.”, Chapman & Hall, London, 661 p.

Auerswald, H., Schwarz, D., Kornelson, C., Krumbein, A. & Brückner, B., (1999): “Sensory analysis, sugar and acid content of tomato at different EC-values of the nutrient solution.” Scientia Horticulturae, 82, p. 227-242.

Bernaerts, E. & Demuynck, E., (2010): “Tuinbouw.”, Vlaamse Overheid, Departement Landbouw en visserij, afdeling Monitoring en Studie, Brussel, 21 p.

Bertholon, P., (1783): “De l’Électricité des végétaux.”, Parijs.

Bi, R., Schlaak, M., Siefert, E., Lord, R. & Connolly, H., (2011): “Influence of electrical fields (AC and DC) on phytoremediation of metal polluted soils with rapeseed (Brassica napus) and tobacco (Nicotiana tabacum).” Chemosphere, 83, p.318-326.

Blindeman, L., Ceustermans, N., Chow, T.T., De Bruyn, P., Deckers, S., De Rocker, E., Goen, K., Lapage, E., Mertens, M., Nechelput, H., Pauwels, E., Penninckx, I., Planckaert, M., Van De Populiere, I., Van Oost, I. & Van Poucke, K., (2006): “Recirculatie van water in de glastuinbouw. Winst voor u en het milieu.” Ministerie van de Vlaamse Gemeenschap, Beleidsdomein Landbouw en visserij, Brussel, 47 p.

Boe, A.A. & Salunkhe, D. K., (1963): “Effects of magnetic fields on tomato ripening.” Nature, 199, p. 91-92.

Bougoul, S., Ruy, S., de Groot, F. & Boulard, T., (2005): “Hydraulic and physical properties of stonewool substrates in horticulture.” Scientia Horticulturae, 104, p. 391-405.

Breazeale, E. L. & McGeorge, W.T., (1953): “Cation uptake by plants as affected by an applied potential.” Soil Science, 75, p. 443-448.

Breazeale, E.L., McGeorge, W.T. & Breazeale, J.F., (1951): “Nutrition of plants considered as an electrical phenomenon- A new approach.” Soil Science, 71, p.371-375.

Cerda, A., & Roorda van Eysinga, J.P.N.L., (1981): “Tomato plant growth as affected by horizontally unequal osmotic concentrations in rockwool.” Netherlands Journal of Agricultural Science, 29, p. 189-197.

Chloupek, O., (1977): “Evaluation of the size of a plants root system using its electrical capacitance.” Plant and Soil, 48, p. 525-532.

Clauwaert, P., Aelterman, P., Pham, T.H., De Schamphelaire, L., Carballa, M., Rabaey, K. & Verstraete, W., (2008): “Minimizing losses in bio-electrochemical systems: the road to applications.”, Applied Microbiology and Biotechnology, 79, p. 901-913.

Clegg, C.J. & Mackean, D. G., (2006): “Advanced Biology – principles & applications” Hodder Stoughton Publishers, p. 340–343.

Curvers, D., (2005): “Modelleren van de elektro-osmotische ontwatering van afvalwaterslib. Elektro-osmose, wanneer water kruipt waar het niet stromen kan…”, Masterscriptie, Faculteit Bio-ingenieurswetenschappen, Universiteit Gent.

Dalton, F.N., (1995): “In situ root extent measurements by electrical capacitance methods.” Plant and Soil, 173, p. 157-165.

Dannehl, D., Huyskens-Keil, S., Eichholz, I., Ulrichs, C. & Schmidt, U., (2011): “Effects of direct-electric-current on secondary plant compounds and antioxidant activity in harvested tomato fruits (Solanum lycopersicon L.).” Food Chemistry, 126(1), p. 157-165.

Davy, (1807): “Philosophical Transactions.” Elements of Agricultural Chemistry, p. 37.

De Rijck, G. & Schrevens, E., (1998): “Distribution of nutrients and water in rockwool slabs.” Scientia Horticulturae, 72, p. 277-285.

Diprose, M. F., Benson, F. A., & Willis, A. J., (1984): “The effect of external applied electrostatic fields, microwave radiation and electric currents on plants and other organisms, with special reference to weed control.”, Botanical Review, 50 (2), p. 171-223.

Du Laing, G. & Tack, F., (2010): “Cursus chemische analysetechnieken, partim anorganisch”, Faculteit Bio-ingenierswetenschappen, Universiteit Gent.

Dymek, K., Dejmek, P., Panarese, V., Vicente., A.A., Wadsö, L., Finnie, C. & Galindo, F.G., (2012): “Effect of pulsed electric field on the germination of barley seeds.”, Food Science and Technology, 47, p. 161-166.

Dyśko, J., Kowalczyk, W. & Kaniszewski, S., (2009): “The influence of pH of nutrient solution on yield and nutritional status of tomato plants grown in soilless culture system.” Vegetable Crops Research Bulletins, 70, p. 59-69.

Edwards, G.J., (1975): “Electrical experiments on citrus seedlings.” Florida State Horticultural Society, p. 36-39.

FAO, (2008): “Current world fertilizer trends and outlook to 2011/12.”, Rome, 57 p.

Flores, P., Botella, M.A., Martínez, V. & Cerdá, A., (2002): “Response to salinity of tomato seedlings with a split-root system: Nitrate uptake and reduction.” Journal of Plant Nutrition, 25(1), p. 177-187.

Franco, D., Geutjens, K., Holmstock, K., & Louwagie, L. (2007): “Vestigingskansen voor glastuinbouw in Vlaanderen. Clustering als duurzame ontwikkeling?” Ministerie van de Vlaamse Gemeenschap, Beleidsdomein Landbouw en visserij, Afdeling Duurzame landbouwontwikkeling, Brussel, 80 p.

Georges, H., Van Lierde, D., & Verspecht, A. (2003): “De Vlaamse glastuinbouw en zijn concurrenten.” Ministerie van de Vlaamse Gemeenschap, Beleidsdomein Landbouw en visserij, Centrum voor landbouweconomie, Brussel, 87 p.

Giancoli, D.C., (2005): “Natuurkunde voor wetenschap en techniek. Deel II: Golven en geluid, kinetische theorie en thermodynamica, elektriciteit en magnetisme, licht.” Dan Haag: Sdu Uitgevers, Academic Services, 686 p.

Gorgolewski, S., (1996): “ The importance of restoration of the atmospheric electrical environment in closed bioregenerative life supporting systems.” Advances in Space Research, 18(4/5), p. 283-285.

Gorgolewski, S., Roźej, B., (2001): “Evidence for electrotropism in some plant species.” Advances in Space Research, 28 (4), p. 633-638.

Heffer, P. & Prud´homme, M., (2011): “Short term fertilizer outlook 2011 – 2012.” 37th IFA Enlarged Coucil Meeting, Mayakoba (Mexico), 9 p.

Heuvelink, E., Bakker, M.J., Elings, A., Kaarsemaker, R. & Marcelis, L.F.M., (2005): “Effect of leaf area on tomato yield.” Acta Horticulturae, 691, p. 43-49.

Heuvelink, E. (ed), (2005): “Tomato. Crop production science in horticulture, n°13” Wallingford (UK): CAB International, 339 p.

Hicks, W.W., (1957): “ A series of experiments on trees and plants in electrostatic fields.” Journal of the Franklin Institute, 264(1), p. 1-5.

Hsiao, T.C., (1976): “Stomatal ion transport.” In: Transport in Plants, Volume II., Deel II, Tissues and Organs (Ed. Lüttge, U. & Pitman, M.G.), New York: Springer, p. 195-221.

Jaworski, C. A. & Valli, V.J., (1964): “Tomato seed germination and plant growth in relation to soil temperatures and phosphorus levels.” Florida State Horticultural Society, p. 177-183.

Kang, Y-I., Park, J-M., Kim, S-H., Kang, N-J., Park, K-S., Lee, S-Y. & Jeong, B. R., (2011): “Effects of root zone pH and nutrient concentration on the growth and nutrient uptake of tomato seedlings.” Journal of Plant Nutrition, 34, p. 640-652.

Konings, L., (1995): “Gravitropism of roots: an evaluation of progress during the last three decades.” Botanica Acta, 44(3), p. 195-223.

Krueger, A.P., Kotaka, S. & Andriese, P.C., (1963): “A study of the mechanism of air-ion-induced growth stimulation in Hordeum vulgaris.” International Journal of Biometeorology, 7(1), p. 17-25.

Krueger, A.P., Kotaka, S. & Andriese, P.C., (1965): “The effects of abnormally low concentrations of air ions on the growth of Hordeum vulgaris.” International Journal of Biometeorology, 9(3), p. 201-209.

Kurvits, A. & Kirkby, E.A., (1980): “The uptake of nutrients by sunflower plants (Helianthus annuus) growing in continuous flowing culture system, supplied with nitrate or ammonium as nitrogen source.” Z. Pflanzenernähr Bodenk, 143, p. 140-149.

Larouche, R., Vezina, L. & Gosselin, A., (1989): “Nitrogen concentration and photosynthetic photon flux in greenhouse tomato production. I. Growth and development.” Journal of the American Society for Horticultural Science, 114, p. 458-461.

Le Bot, J., Jeannequin, B. & Fabre, R., (2001): “Growth and nitrogen status of soilless tomato plants following nitrate withdrawal from the nutrient solution.” Annals of Botany, 88, p. 361-370.

Leggett, J.E. & Gilbert, W.A. (1969): “Magnesium uptake by Soybeans.”, Plant Physiology, 44, p. 1182-1186.

Lemström, S., (1904): “Elektricity in agriculture and horticulture.” Londen: "The Electrician" Printing & Publishing Company, 72 p.

Li, Y.L., Stanghellini, C. & Challa, H., (2001): “Effect of EC and transpiration on production of greenhouse tomato (Lycopersicon esculentum L.).” Scientia Horticulturae, 88, p. 11-29.

Lingle, J.C., & Davis, R.M., (1959): “The influence of soil temperature and phosphorus fertilization on the growth and mineral absorption of tomato seedlings.” Proc. American Society for Horticultural Science, 73, p. 312-322.

Lingle, J.C., & Davis, R.M., (1961): “Basis of shoot response to root temperature in tomato.” Plant Physiology, 36(2), p 153-162.

Lucas, R.E. & Davis, J.F., (1961): “Relationships between pH values of organic soils and availabilities of 12 plants nutrients.” Soil science, 92, p. 177-182.

Maas, E.V., & Hoffman, G.J., (1983): “Crop salt tolerance: Current assessment.” Journal of the Irrigation and Drainage Division, 103, p.115-134.

Marschner, H., (1995): “Mineral Nutrition of Higher Plants.”, New York: Academic Press., 889 p.

Moon, J. & Chung, H., (2000): “Acceleration of germination of tomato seeds by applying AC electric and magnetic fields.”, Journal of electrostatics, 48, p. 103–114.

Murr, L.E., (1963): “Plant growth response in a simulated electric field-environment.” Nature, 200, p. 490-491.

Nechelput, H., (2007): “Water. Elke druppel telt. Groenteteelt op substraat.” Vlaamse milieumaatschappij, Afdeling Water, Brussel, 24 p.

Oeyen, A. & Tacquenier, B., (2011): “Rentabiliteitsrapport Land- en tuinbouw 2009.” Beleidsdomein Landbouw en Visserij, Afdeling Monitoring en Studie, Brussel, 85 p.

Platteau, J., (2010): “Landbouw in de Europese Unie.” Vlaamse Overheid, Departement Landbouw en Visserij, Afdeling Monitoring en Studie, Brussel, 24 p.

Pohl, H.A., & Todd, G.W., (1981): “Electroculture for Crop Enhancement by Air Anions.” International Journal of Biometeorology., 25(4), p. 309-321.

Rajkai, K., Végh, K.R. & Nasca, T., (2002): “Electrical capacitance as the indicator of root size and activity.” Agrokémia és Talajtan, 51, p. 1-10.

Raschke, K., (1976): “Transfer of ions and products of photosynthesis to guard cells.”, In: Transport and transfer processes in plants (Ed. Wardlaw, I.F. & Passioura, I.B.), New York: Academic Press, p 203-215.

Repo, T., Laukkanen, J. & Silvennoinen, R., (2005): “Measurement of the tree root growth using electrical impedance spectroscopy.” Silva Fennica, 39(2), p. 159-166.

Rozendal, R.A., Hamelers, H.V.M., Rabaey, K., Keller, J. & Buisman, C.J.N., (2008): “Towards implementation of bioelectrochemical wastewater treatment. Review” Trends in Biotechnology, 26(8), p. 450-459

Schwankhardt, (1785): “Rozier, Journal de Physique”, ii, p. 462.

Schwartz, S. & Bar-Yosef, B., (1981): “Magnesium uptake by tomato plants as affected by Mg and Ca concentration in solution culture and plant age.”, 75(2), p. 267-272.

Schwarz, D., Grosch, R., (2003): “Influence of nutrient solution concentration and a root pathogen (Pythium aphanidermatum) on tomato root growth and morphology.” Scientia Horticulturae, 97, p. 109-120.

Sidaway, G.H.,(1975): “Some early experiments in electro-culture.” Journal of Electrostatics, 1, p. 389-393

Siddiqi, M.Y., Kronzucker, H.J., Britto, D.T. & Glass, A.D.M, (1998): “Growth of a tomato crop at reduced nutrient concentrations as a strategy to limit eutrophication.” Journal of Plant Nutrition, 21(9), p.1879-1895.

Šoch, J. & Čermák, J., (1981): “Stimulace výškového růstu smrkových sazenic gradientem stejnosmĕrného elektrického napĕtí v kořenové zónĕ.” Facultas silviculturae, 50, p. 11-23.

Solly, E., (1846): “On the influence of electricity on vegetation.” The Journal of the Horticultural society of London, 1, p. 81-109.

Sonneveld, C. & Voogt, W., (2009): “Crop response to an unequal distribution of ions in space and time.”, In: Plant Nutrition of Greenhouse Crops, Dordrecht: Springer, p. 159-172.

Sonneveld, C. & Welles, G.W.H., (1988): “Yield and quality of rockwool-grown tomatoes as affected by variations in EC-value and climatic conditions.” Plant and Soil, 111, p. 37-42.

Steppe, K., (2011): “Cursus Ecofysiologie.” Faculteit Bio-ingenieurswetenschappen, Universiteit Gent.

Taiz, L., & Zeiger, E., (2002): “Plant physiology.” Massachusetts: Sinauer Associates, Inc., Publischer. 690 p.

Tucker, R., (1999): “Essential plant nutrients: Their presence in North Carolina soils and role in plant nutrition.” NCDA & CS, Agronomic Division, 9 p.

Vandenberghe, A., Cools, A., Van Lierde, D. & Van Gastel, L., (2007): “Inventarisatie van reductiemogelijkheden voor het gebruik van gewasbeschermingsmiddelen en nutriënten in de groenteteelt onder glas.” Ministerie van de Vlaamse Overheid, Departement Landbouw en visserij, Instituut voor Landbouw- en Visserijonderzoek, Merelbeke, 118 p.

Van Labeke, M., (2011): “Cursus Plantenteelt, partim Tuinbouwgewassen.” Faculteit Bio-ingenieurswetenschappen, Universiteit Gent.

Van Meulebroek, L., Vanhaecke, L., De Swaef, T., Steppe, K. & De Brabandert, H., (2012): “U-HPLC-MS/MS to quantify liposoluble antioxidants in red-ripe tomatoes, grown under different salt stress levels.” Journal of Agricultural and Food Chemistry, 60, p. 566-573.

Van Noordwijk, M., (1990): “Synchronization of supply and demand is necessary to increase efficiency of nutrient use in soilless horticulture.” Plant nutrition – physiology and applications, p. 525-531.

Vlaams departement Landbouw en Visserij, (2010): “Gebruik van kunstmest door de landbouw (stikstof en fosfor), 2005-2009”, Vlaamse overheid, Brussel.

Wall, S., (2010): “The history of electrokinetic phenomena.” Current Opinion in Colloid & Interface Science, 15, p. 119-124.

Warnock, S.J., (1988): “A review of taxonomy and phylogeny of the genus Lycopersicon.” HortScience, 23, p. 669-673.

Wawrecki, W. & Zagórska-Marek, B., (2007): “Influence of a weak DC electric field on root meristem architecture.” Annals of Botany, 100, p. 791-796.

Wilcox, G.E., Magalhaes, G.E. & Silva, F.L.I.M, (1985): “Ammonium and nitrate concentrations as factors in tomato growth and nutrient uptake. Journal of Plant Nutrition, 8, p. 989-998.

Zumdahl S.S., (2005): “Chemical Principles.” New York: Houghton Mifflin Company, 1070 p.

Internetreferenties

Food and Agriculture Organization of the United Nations, FAO: http://www.fao.org/, (laatste raadpleging: april 2012)

Index mundi: http://www.indexmundi.com, (laatste raadpleging, maart 2012)

Nelson, R.A., (2000):” Hemp husbandry.”, http://www.rexresearch.com/hhusb/hh5elc.htm, (laatste raadpleging, januari 2012).

Persoonlijke communicatie

Persoonlijke communicatie: Lefevre, T., zaakvoerder Hortipower bvba, 13 december 2011, mondelinge vragenlijst.

Persoonlijke communicatie: Lefevre, T., zaakvoerder Hortipower bvba, 31 maart 2012, email.

Persoonlijke communicatie: Stoffels, P., zaakvoerder Stoffels bvba, 2 juni 2012, email.