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Advancing water treatment for greenhouses

Michigan State University professor Tom Fernandez is leading groundbreaking research on efficient water treatment methods for greenhouses. By developing bioreactor systems, his team aims to reduce nutrient runoff and pesticide contamination, enhancing sustainability in plant production. This work not only improves water quality but also helps growers recycle valuable resources.

von | 24.09.24

From left to right: Henry Gonzalez (graduate student, Horticulture), Dr. Gemma Reguera (professor, Microbiology, Genetics and Immunology), and Marcela Tabares (graduate student, Microbiology, Genetics and Immunology) collecting water samples from a commercial-scale woodchip bioreactor at a West Michigan greenhouse.
Source: Tom Fernandez

Tom Fernandez, a Michigan State University professor in the Department of Horticulture, has spent much of his 25-year career at MSU studying how to effectively manage water in greenhouses and nurseries to increase water-use efficiency and reduce nutrient runoff.

With funding support from Project GREEEN — Michigan’s plant agriculture initiative based at MSU and supported by the Michigan Plant Coalition, Michigan Department of Agriculture and Rural Development, MSU AgBioResearch and MSU Extension — Fernandez has developed management strategies to ensure agricultural inputs such as fertilizers and pesticides aren’t washed away from their intended targets, harming the surrounding environment and diminishing water quality.

Optimizing water use to reduce nutrient and pesticide runoff

 

According to the U.S. Environmental Protection Agency, about a half million tons of pesticides, 12 million tons of nitrogen and 4 million tons of phosphorous fertilizer are annually applied to crops. The runoff of these inputs contributes to some of the leading strains on water quality.

In greenhouses and nurseries, it’s easy to overwater many plants because the containers they’re in allow water to easily drain. Fernandez has found that by applying water based on a plant’s daily water use, irrigation can be reduced between 30%-80% depending on the species, and growers can conserve water and reduce the runoff of nutrients from the potting mix.

In addition to minimizing the runoff of nutrients from fertilizers, such as nitrates and phosphates, Fernandez has also examined how to lessen the movement of pesticides from the soil and nontarget areas. Pesticides are sprayed over the top of plants, so as a result, they hit unintended spaces such as the gaps between plants or the groundcover in greenhouses and nurseries. When irrigation is applied overhead, the pesticides in these spaces can move with the water and impact its quality.

Like how the movement of nutrients from fertilizer in the soil were reduced, Fernandez said applying less water to plants can help mitigate pesticides from moving in the soil and from nontarget surfaces. He also said that micro-irrigating individual pots using spray stakes, which fan water over single containers, proved to significantly reduce the surface runoff of pesticides.

Using time to manage nutrients and pesticides effectively

“Time really is on our side when we’re thinking about both nutrients and pesticides,” Fernandez said. “The longer we keep them from getting into water systems, the more can happen to them biologically so they don’t cause a problem.”

With these strategies, Fernandez said there became a better understanding for how to irrigate container plants without promoting runoff. Since then, he’s taken on a new project: studying how to treat the water used in production by addressing the amount of nutrients and pesticides in it after application.

Beginning in 2018, Fernandez and Gemma Reguera, associate dean of faculty affairs and development in MSU’s College of Natural Science and professor in the Department of Microbiology, Genetics and Immunology, started to examine how nutrients from fertilizers interact with bioreactors, as well as to what extent bioreactors separate them from water used in greenhouses — an undertaking originally studied by Fernandez’s former doctoral student Damon Abdi, now an assistant professor of horticulture at Louisiana State University.

What do these bioreactors look like?

“They have a fancy name, but they’re really just big tubs of woodchips,” Fernandez said.

This year’s project with paired bioreactors. The front pair on either side of the wooden divider is a commercial-scale in-series pair of 300-gallon anaerobic to aerobic woodchip bioreactors. The back pair is the same except 600-gallon in-series bioreactors. The larger size bioreactors double the hydraulic retention time, providing a longer time for the bioreactors to treat each gallon of water. (Photo credit: Tom Fernandez)

Developing bioreactor systems for nutrient management

Fernandez and his team initially developed a two-stage bioreactor system using woodchips to convert nitrates into nitrogen gas, and heat-expanded clay to bind phosphates. Their research demonstrated that over 95% of nitrates and 80%-87% of phosphates could be removed from water. However, they discontinued the second stage due to the primary activity occurring in the woodchips.

This bioreactor system is essential for minimizing nutrient contamination in non-reusable water, while many modern greenhouses utilize closed-loop systems that recycle water. To optimize nutrient retention, Fernandez modified the bioreactor to allow water to flow through more quickly, successfully recycling 90%-100% of nutrients while reducing pesticide levels by 30%-75%.

This research aids the nursery and greenhouse industries in promoting clean-water practices. Experts emphasize its significance for water quality and sustainability, with the potential to lessen environmental impact and enhance profitability for growers. As they continue monitoring bioreactor performance in large-scale operations, the team is exploring how pesticides degrade under different conditions.

Bildquelle, falls nicht im Bild oben angegeben:

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