Niedertemperaturplasma zur Entfernung von E. coli aus Hydrokulturen
Eine Gruppe unter der Leitung von Forschern der Universität Nagoya und der Meijo-Universität in Japan hat eine Desinfektionstechnologie entwickelt, bei der durch Strom erzeugtes Niedertemperaturplasma für den umweltfreundlichen Anbau von Hydrokulturen eingesetzt wird. Diese innovative Technologie sterilisiert die Pflanzen und fördert das Pflanzenwachstum ohne den Einsatz von chemischen Düngemitteln. Ihre Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Environmental Technology & Innovations veröffentlicht.
Sauerstoffradikale (weiße Kreise), die im Niedertemperaturplasma (violett) erzeugt werden, entfernen Bakterien (blau) aus hydroponisch angebauten Nutzpflanzen.
Reiko Matsushita
In der hydroponischen Landwirtschaft kultivieren Landwirte Pflanzen, indem sie deren Wurzeln mit einer Nährlösung versorgen. Die Nährlösung kann jedoch mit pathogenen E. coli-Stämmen infiziert werden, die die Pflanzen verunreinigen und zu lebensmittelbedingten Krankheiten führen.
Um dieses Problem zu vermeiden, sterilisieren die Landwirte die Nährlösung vor und während des Anbaus mit chemischen Mitteln. Bei diesem Verfahren wird die Nährlösung ausgetauscht. Leider kann dies der Umwelt schaden, da die Chemikalien das Wasser verunreinigen und bei der Produktion Treibhausgasemissionen entstehen können.
"Unsere Ergebnisse schlagen eine völlig neue Art der Desinfektion vor", sagte der Autor Professor Masafumi Ito von der Meijo Universität. "Unsere Technologie kann die Produktion von Pestiziden, die fossile Brennstoffe verbrauchen, die Umweltverschmutzung und Rückstände reduzieren."
Anstelle von Agrochemikalien wurde bei der Technik des Teams die Sterilisation mit Plasma durchgeführt. Plasma ist ein Gas mit kleinen elektrischen Ladungen, die als Ionen und Elektronen bezeichnet werden, und elektrisch neutralen reaktiven Teilchen darin. Das Team erzeugte das Niedertemperaturplasma mithilfe eines Plasmagenerators.
Ihre Methode zielt auf die Aminosäure Tryptophan in Düngemitteln ab, die für das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen wichtig ist. Wenn die Nährlösung mit Plasma bestrahlt wird, erzeugen die Elektronen des Plasmas Sauerstoffradikale, sehr instabile Sauerstoffteilchen, die dann Tryptophanradikale erzeugen.
Obwohl die Pflanze das veränderte Tryptophan noch in ihrem Stoffwechsel verwenden kann, inaktivieren die Radikale die Enzyme, die am Kohlenstoffstoffwechsel in E. coli beteiligt sind. Die Metabolomanalyse ergab die Inaktivierung des glykolytischen und des Tricarbonsäurekreislaufs, die für das Überleben der Bakterien wichtig sind, sowie die Inaktivierung des Schlüsselenzyms GAPDH. Das Ergebnis sind sterile Pflanzen in kürzerer Zeit, ein großer Vorteil gegenüber den konventionellen chemischen Verfahren.
"Wir haben eine Sterilisationstechnologie mit Sauerstoffradikalen entwickelt, die als Hygienekontrolltechnologie für Nährlösungen im modernen hydroponischen Anbau vielversprechend ist", so der Hauptautor, Professor Kenji Ishikawa vom Zentrum für Niedertemperatur-Plasmaforschung der Universität Nagoya. "Da die Verwendung chemischer Pestizide im Rahmen der SDGs und der Grünen Strategie eingeschränkt ist, kann unsere innovative Technologie zur Sterilisation verwendet werden, indem die Atmosphäre, die Stickstoff, Sauerstoff und Wasserdampf enthält, einfach in ein Niedertemperaturplasma umgewandelt wird, das auf elektrischer Energie basiert, die aus natürlicher Energie gewonnen wird. Es wird erwartet, dass diese Technologie die technologische Entwicklung in Richtung des Ziels der Abschaffung fossiler Brennstoffe und der Reduzierung von Treibhausgasen fördert."
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Originalveröffentlichung
Naoyuki Iwata, Kenji Ishikawa, Yasuhiro Nishikawa, Hiroyuki Kato, Motoyuki Shimizu, Masashi Kato, Hiromasa Tanaka, Masafumi Ito, Masaru Hori; "Oxygen radical irradiation transforms an organic fertilizer l-tryptophan into an environment and human-friendly bactericide"; Environmental Technology & Innovation, Volume 33
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