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Die
Erfindung betrifft Verfahren zum Kultivieren von Pflanzen in einem
Wachstumssubstrat, insbesondere einem Mineralwoll-Wachstumssubstrat, und
insbesondere Verfahren, in denen die Wachstumsbedingungen überwacht
und gesteuert werden. Die Erfindung betrifft auch Systeme zur Verwendung in
dem Verfahren.
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Es
ist wohlbekannt, Pflanzen in einem natürlichen oder künstlichen
Wachstumssubstrat, insbesondere einem Mineralwoll-Wachstumssubstrat,
wie Steinwolle oder Glaswolle, zu kultivieren. Wasser und falls
notwendig Düngemittel
werden dem Mineralwollsubstrat zugeführt, im allgemeinen indem man Wasser,
gegebenenfalls enthaltend Düngemittel, durch
das Substrat fließen
lässt.
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In
Systemen dieser Art ist es wichtig, dass die Wurzeln der Pflanzen
eine angemessene Sauerstoffzufuhr erhalten. Der Gehalt an gelöstem Sauerstoff
im Wasser um die Wurzeln der Pflanze (Sauerstoffgehalt im Wasser)
ist wichtig, da dies den für
die Pflanze zur Verfügung
stehenden Sauerstoff bestimmt.
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In
der Lebensmittelindustrie ist eine Sauerstoffsensorvorrichtung bekannt.
Eine solche Vorrichtung ist in "A
Novel Optical Method to Determine Oxygen in Beer Bottles", Draaijer et al.,
European Brewery Convention, 27. Kongress, 1999, zur Bestimmung von
Sauerstoff in Lebensmittelbehältern,
wie Bierflaschen, beschrieben worden. Dieses Verfahren ist auch
in "An Optical Oxygen
Sensor", Draaijer
et al., 2nd Inter-Regional Conference on Environment-Water, 1.–3. September
1999, erörtert
worden. In dem letzteren Artikel ist der Einsatz zur Überwachung
von Sauerstoffgehalten im Grundwasser und in Mineralwoll-Wachstumssubstraten
vorgeschlagen worden. Für
letztere Verwendung ist eine faseroptische Version empfohlen worden.
WO 01/63264, veröffentlicht am
30. August 2001, offenbart einen optischen Sensor zur Messung von
Sauerstoffgehalten, insbesondere zur Messung von derartigen Gehalten
in Verbrauchsgütern,
die in Glas gelagert werden.
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Die
Anforderungen für
Sauerstoffgehalte in Wasser sind aber komplex und einfaches Bestimmen des
Sauerstoffgehalts im Wasser ist im allgemeinen nicht ausreichend,
um den Züchter
darüber
zu informieren, ob die Bedingungen optimal sind oder nicht. Ein
gegebener Sauerstoffgehalt kann z.B. für eine Pflanzenart annehmbar
sein, aber nicht für
eine andere, oder er kann für
eine Pflanze in einer Stufe seines Wachstums annehmbar sein, aber
nicht in einer anderen, oder ein geringer Sauerstoffgehalt im Wasser
(d.h. eine geringe Sauerstoffkonzentration im Wasser) in einem System
mit einer hohen Wasseraustauschrate kann unproblematisch sein, während der
Sauerstoffgehalt in Wasser in einem System mit geringerer Wasseraustauschrate
problematisch wäre.
Es gibt somit eine komplexe Wechselwirkung zwischen den verschiedenen
Wachstumsbedingungen, welche bestimmen, ob ein gegebener Sauerstoffgehalt
im Wasser annehmbar ist oder nicht.
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In
der Vergangenheit haben Züchter
die Pflanzenwachstumsbedingungen nicht in einer wirklich systematischen
Weise überwacht.
Im allgemeinen werden eine visuelle Betrachtung von Pflanzenbedingungen
und in manchen Fällen
die Messung des Wassergehalts der Substrate, in denen die Pflanzen
wachsen, verwendet, um abzuschätzen,
ob die Bedingungen eine Modifizierung erfordern. Wenn dieses ziemlich
ungenaue Beobachtungsverfahren darauf hinweist, dass die Bedingungen
nicht optimal sind, können Änderungen,
z.B. im Wassergehalt im Substrat oder in der Rate der Wasserzugabe,
erfolgen. Obwohl Züchter
sich in der Vergangenheit im allgemeinen bewusst waren, dass der
Sauerstoffgehalt im Wasser ein möglicher
Faktor in der Eignung von Wachstumsbedingungen ist, haben sie ihre
Aufmerksamkeit nicht speziell auf den Sauerstoffgehalt im Wasser
und dessen Messung als Mittel zur Bewertung, ob Wachstumsbedingungen
optimal sind, gerichtet.
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DE 3331818 beschreibt ein
Verfahren zur Bewässerung
von Pflanzenkulturen, insbesondere erdfreien Kulturen, in dem der
pH-Wert und die elektrische Leitfähigkeit der Bewässerungslösung gemessen
werden und die Bewässerungslösungen nach
diesem Ergebnis eingestellt werden.
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Die
Erfindung basiert zumindest teilweise auf der Feststellung, dass
Sauerstoffgehalte im Wasser (d.h. Sauerstoffkonzentrationen im Wasser)
ein wertvolles Werkzeug sind, um zu bestimmen, ob Bedingungen optimal
sind. Daher wäre
es für
Züchter zweckmäßig, in
der Lage zu sein, rasch und genau zu wissen, ob Sauerstoffgehalte
im Wasser suboptimal sind, so dass sie bei Bedarf die Bedingungen modifizieren
können,
um zu gewährleisten,
dass das System zu optimalen Sauerstoffgehalten im Wasser tendiert.
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Nach
der Erfindung wird ein Verfahren zur Überwachung von einer oder mehreren
wachsenden Pflanzen bereitgestellt, das umfasst
- (i)
das Bereitstellen mindestens einer Pflanze in einem Wachstumssubstrat,
das Wasser enthält,
- (ii) das Bereitstellen eines Überwachungssystems, umfassend
(a) eine erste Datenspeichereinrichtung enthaltend gespeicherte
Daten zu den optimalen Sauerstoffgehalten im Wasser für mindestens
einen, vorzugsweise mindestens zwei Sätze von Wachstumsbedingungen
und (b) eine erste Berechnungseinrichtung zum Vergleich von eingegebenen
tatsächlichen
Wachstumsbedingungen und eingegebenen tatsächlichen Sauerstoffgehalten
im Wasser mit den gespeicherten Daten, um den optimalen Sauerstoffgehalt
im Wasser für
die eingegebenen tatsächlichen Wachstumsbedingungen
zu bestimmen und diesen optimalen Sauerstoffgehalt im Wasser mit dem
tatsächlichen
Sauerstoffgehalt im Wasser zu vergleichen und ein erstes Ausgabeergebnis
zu erzeugen, und (c) eine Eingabeeinrichtung, um dem Überwachungssystem
die tatsächlichen Wachstumsbedingungen
und die tatsächlichen Sauerstoffgehalte
im Wasser zu liefern, wobei das Verfahren umfasst
- (iii) das Messen des tatsächlichen
Sauerstoffgehalts im Wasser im Bereich um die Wurzeln der mindestens
einen Pflanze,
- (iv) die Belieferung der ersten Berechnungseinrichtung mit dem
tatsächlichen
Sauerstoffgehalt im Wasser,
- (v) das Bestimmen mindestens einer tatsächlichen Wachstumsbedingung
und das Zuführen von
Einzelheiten der mindestens einen tatsächlichen Wachstumsbedingung
zur ersten Berechnungseinrichtung, wodurch
- (vi) die erste Berechnungseinrichtung den tatsächlichen
Sauerstoffgehalt im Wasser und die mindestens eine tatsächliche
Wachstumsbedingung mit den gespeicherten Daten vergleicht und das
erste Ausgabeergebnis liefert, wobei das erste Ausgabeergebnis ein
Hinweis darauf ist, ob der tatsächliche
Sauerstoffgehalt im Wasser für
die mindestens eine tatsächliche
Wachstumsbedingung optimal ist oder nicht.
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Somit
werden in der Erfindung gespeicherte Daten verwendet, die sich gewöhnlich in
einer Computerdatenbank befinden, die durch die erste Berechnungs einrichtung,
gewöhnlich
ein Computerprogramm, befragt und mit den tatsächlichen Wachstumsbedingungen
und dem tatsächlichen
Sauerstoffgehalt im Wasser verglichen werden kann. Der Einsatz dieses
Systems ermöglicht
es dem Züchter, rasch
und einfach zu bewerten, ob die Sauerstoffgehalte im Wasser im System
für das
spezielle System zweckmäßig sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform
werden die Ergebnisse in einer solchen Weise angezeigt, dass der
Züchter
darüber
informiert wird, welche Änderungen
im System gemacht werden sollten, damit ein optimaler Sauerstoffgehalt
im Wasser erreicht wird.
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Wir
stellen auch ein System zur Verwendung in dem Verfahren bereit,
das umfasst (a) eine erste Datenspeichereinrichtung enthaltend gespeicherte Daten
zu den optimalen Sauerstoffgehalten im Wasser für mindestens einen, bevorzugten
mindestens zwei Sätze
von Wachstumsbedingungen und (b) eine erste Berechnungseinrichtung
zum Vergleichen von tatsächlichen
Wachstumsbedingungen und dem tatsächlichen Sauerstoffgehalt im
Wasser mit den gespeicherten Daten, um den optimalen Sauerstoffgehalt
im Wasser für
die eingegebenen tatsächlichen Wachstumsbedingungen
zu bestimmen und diesen optimalen Sauerstoffgehalt im Wasser mit
dem tatsächlichen
Sauerstoffgehalt im Wasser zu vergleichen, was ein erstes Ausgabeergebnis
liefert, wobei das erste Ausgabeergebnis ein Hinweis darauf ist,
ob der tatsächliche
Sauerstoffgehalt im Wasser für
die mindestens eine tatsächliche
Wachstumsbedingung optimal ist oder nicht, und (c) eine Eingabeeinrichtung
zum Beliefern des Überwachungssystems
mit tatsächlichen
Wachstumsbedingungen und tatsächlichen
Sauerstoffgehalten im Wasser, gegebenenfalls (d) eine zweite Datenspeichereinrichtung
enthaltend gespeicherte Modifizierungsdaten zu Verfahren zur Erhöhung und
Verringerung des Sauerstoffgehalts im Wasser und (e) eine zweite
Berechnungseinrichtung zum Vergleichen des ersten Ausgabeergebnisses
mit den gespeicherten Modifizierungsdaten, um ein zweites Ausgabeergebnis
zu erhalten, welches spezifiziert, welche Modifikationen an den
Wachstumsbedingungen durchgeführt
werden müssen,
um einen optimalen Sauerstoffgehalt im Wasser zu erreichen, und
(f) eine Anzeigeeinrichtung zum Empfangen des ersten Ausgabeergebnisses
und/oder des zweiten Ausgabeergebnisses und für deren Anzeige.
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Die
Erfindung stellt auch ein Sauerstoffsensorsystem bereit, das einen
Sensor zum Messen des Sauerstoffgehalts im Wasser im Bereich um
die Wurzeln einer Pflanze, die in einem Wachstumssubstrat wächst, und
ein Überwachungssystem
wie vorstehend erörtert,
umfasst.
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Bei
den Pflanzen handelt es sich im allgemeinen um handelsübliche Früchte der
Art, die in Treibhäusern
wachsen. Sie können
als Sämlinge
vorliegen, sind aber häufig
größer. Bei
der Frucht kann es sich z.B. um eine handelsübliche Frucht handeln, z.B.
Kopfsalat, Tomate, Gurke oder Paprika.
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Jedes
natürliche
oder künstliche
Wachstumssubstrat kann eingesetzt werden, z.B. Erde, Torf, Perlit
oder künstliche
glasartige Fasern (MMVF). Das Wachstumssubstrat wird bevorzugt aus
Mineralwolle, wie Glaswolle oder bevorzugt Steinwolle, gebildet.
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Das
Mineralwoll-Wachstumssubstrat kann in herkömmlicher Weise durch Bereitstellen
einer mineralischen Schmelze und Bilden der Fasern aus der Schmelze
hergestellt werden. Während
der Herstellung der Fasern oder weniger bevorzugt nach Herstellung
der Fasern kann Bindemittel auf die Fasern aufgebracht werden. Das
Bindemittel wird im allgemeinen anschließend in einem Härtungsofen
gehärtet.
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Das
Wachstumssubstrat enthält
bevorzugt ein Benetzungsmittel. Dies kann zusätzlich zum Bindemittel verwendet
werden. Alternativ kann ein einzelnes Material verwendet werden,
das als Bindemittel und Benetzungsmittel wirkt.
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Das
Wachstumssubstrat kann andere Additive enthalten, die in der Technik
zur Modifizierung und Verbesserung der Eigenschaften bekannt sind,
wie z.B. Ton oder Braunkohle.
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Das Überwachungssystem
umfasst eine Datenspeichereinrichtung, gewöhnlich eine Computerdatenbank,
die Informationen zur Beziehung zwischen dem optimalen Sauerstoffgehalt
im Wasser und verschiedenen Wachstumsbedingungen enthält. So kann
sie z.B. Informationen über
den optimalen Sauerstoffgehalt im Wasser für unterschiedliche Pflanzenarten
und/oder Informationen über
die Wirkung auf den optimalen Sauerstoffgehalt im Wasser von verschiedenen
Wachstumssubstrat-Wassergehalten enthalten. Weitere Informationen
zu Wachstumsbedingungen sind unten angegeben.
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Die
Datenspeichereinrichtung kann sich vor Ort befinden, d.h. in der
Nähe des
Wachstumssystems, z.B. in einem Computer des Züchters, oder auf einem Server
auf dem Gelände
des Züchters.
In einer Ausführungsform
ist die Eingabeeinrichtung eine Sauerstoffsensorvorrichtung, die
auch die erste Datenspeichereinrichtung und die erste Berechnungseinrichtung
enthält.
Wenn eine derartige Ausführungsform
verwendet wird, kann der Sauerstoffsensor auch die zweite Speichereinrichtung
und die zweite Berechnungseinrichtung, falls verwendet (siehe unten),
umfassen. Alternativ kann die Datenbank auch entfernt von dem Wachstumsort
sein und sie kann z.B. durch eine Internetverbindung mit dem Rest
des Systems verbunden sein.
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In
einer Ausführungsform
umfasst das Überwachungssystem
auch eine zweite Speichereinrichtung, die Daten zu Verfahren über die
Modifizierung des Sauerstoffgehalts im Wasser in Abhängigkeit
von der Beziehung dieses Gehalts mit dem Optimum und über Faktoren,
die dazu führen,
dass der Sauerstoffgehalt im Wasser suboptimal ist, speichert. Die
Daten können
z.B. Verfahren zum Steigern des Wasserdurchsatzes durch das Wachstumssubstrat
betreffen, wenn der Sauerstoffgehalt im Wasser für den tatsächlichen Wasserdurchsatz zu
gering ist, sie können
z.B. Informationen über
optimale Kombinationen von Wasserdurchsätzen und Sauerstoffgehalten
im Wasser beinhalten.
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Das Überwachungssystem
umfasst eine erste Berechnungseinrichtung. Im allgemeinen liegt
dies in Form eines Computers vor, der mit einem Programmcode versehen
ist. Diese übernimmt
die eingegebenen tatsächlichen
Wachstumsbedingungen und den eingegebenen tatsächlichen Sauerstoffgehalt im
Wasser und fragt die gespeicherten Daten ab, um zu bewerten, ob
der tatsächliche
Sauerstoffgehalt im Wasser für
die tatsächlichen
Wachstumsbedingungen optimal ist. Das Computerprogramm beinhaltet
Algorithmen, welche die Eingabedaten und die gespeicherten Daten
und die Ausgabedaten in Beziehung setzen.
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Die
erste Berechnungseinheit verwendet die gespeicherten Daten, um zu
bewerten, was im Hinblick auf die eingegebenen tatsächlichen
Wachstumsbedingungen optimale Sauerstoffgehalte im Wasser wären, und
vergleicht diese mit den gemessenen tatsächlichen Sauerstoffgehalten
im Wasser.
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In
Abhängigkeit
von der Ausgeklügeltheit des
Computerprogramms kann es sich bei dem ersten Ausgabeergebnis um
eine einfache Anzeige handeln, ob die Sauerstoffgehalte im Wasser
optimal sind oder nicht. Es kann zusätzlich angezeigt werden, ob
der Sauerstoffgehalt im Wasser größer oder kleiner als der optimale
ist. Es kann Vergleiche zwischen dem Sauerstoffgehalt im Wasser
und dem Sauerstoffgehalt im Wasser, der optimal wäre, anzeigen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst das Überwachungssystem
auch ein zweites Berechnungsmittel. Diese übernimmt als Eingabe das erste
Ausgabeergebnis der ersten Berechnungseinrichtung. Die erste und
zweite Berechnungseinrichtung können
durch ein einzelnes Computerprogramm bereitgestellt werden.
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Die
zweite Berechnungseinheit schätzt
unter den gegebenen tatsächlichen
Wachstumsbedingungen, dem tatsächlichen
Sauerstoffgehalt im Wasser und dem berechneten optimalen Sauerstoffgehalt
im Wasser ab, welche Änderungen
bezüglich
der Wachstumsbedingungen erfolgen können, um den Sauerstoffgehalt
im Wasser näher
zum Optimum und vorzugsweise innerhalb des optimalen Bereichs zu bringen.
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Bei
dieser Durchführung
fragt die zweite Berechnungseinrichtung eine vorstehend erörterte zweite
Datenspeichereinrichtung ab, die Daten enthält, die Wachstumsbedingungen,
die am leichtesten modifiziert werden, und Wirkungen von Modifikationen
auf den Sauerstoffgehalt im Wasser betreffen.
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Das Überwachungssystem
umfasst auch bevorzugt eine Anzeigeeinrichtung. Diese kann das erste
Ausgabeergebnis und, wenn ein solches vorliegt, das zweite Ausgabeergebnis
anzeigen. So kann z.B. im einfachsten Fall die Anzeigeeinrichtung ein
Signal, wie ein Licht oder ein Licht von spezifizierten unterschiedlichen
Farben, je nach dem, ob der tatsächliche
Sauerstoffgehalt im Wasser annehmbar ist, anzeigen. Es kann sich
um einen Bildschirm handeln, der Informationen darüber gibt,
ob der tatsächliche
Sauerstoffgehalt im Wasser zu hoch oder zu niedrig ist. Sie kann
aus zweckmäßigen Gründen für den Züchter auch
den tatsächlichen
Sauerstoffgehalt und die tatsächlichen
Wachstumsbedingungen anzeigen, die in das System eingegeben worden
sind.
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Die
gespeicherten Daten, die sich auf optimale Sauerstoffgehalte im
Wasser beziehen, können sich
auf verschiedene unterschiedliche Wachstumsbedingungen beziehen.
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Es
können
z.B. Informationen gespeichert sein, wie der optimale Sauerstoffgehalt
mit dem Pflanzentyp, dem Pflanzenalter, der Pflanzenphase (z.B.
generativ, vegetativ) variiert.
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Sie
können
darauf hinweisen, wie der optimale Sauerstoffgehalt im Wasser entsprechend
der Anwesenheit und den Arten von Mikroorganismen im Wachstumssubstrat
variiert.
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Sie
können
anzeigen, wie der optimale Sauerstoffgehalt im Wasser entsprechend
dem Substrattyp, insbesondere den Abmessungen, dem Bindemitteltyp,
dem Bindemittelgehalt, dem Faserdurchmesser und der Art des Benetzungsmittels
im Fall eines Mineralwoll-Wachstumssubstrats variiert. Sie können Informationen über den
Einfluss von Additiven auf den optimalen Sauerstoffgehalt im Wasser
enthalten.
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Informationen
können
sich auf die Tageszeit, die Jahreszeit oder Umgebungsbedingungen,
wie Temperatur, Feuchtigkeit und Lichtverhältnis, beziehen.
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Die
Daten können
sich auch auf die Wirkung des Wassergehalts im Substrat, des eingesetzten Bewässerungsverfahrens
und des Wasserdurchsatzes durch das Substrat auf den optimalen Sauerstoffgehalt
im Wasser beziehen. In diesem besonderen Fall wird der Wassergehalt
des Substrats selbst häufig
durch das Bewässerungsverfahren
beeinflusst und daher ist es häufig
nur erforderlich, eine dieser Wachstumsbedingungen einzugeben.
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Das
System umfasst auch Mittel zur Eingabe von Einzelheiten der tatsächlichen
Wachstumsbedingungen, bei denen es sich um alle vorstehend erörterten
Bedingungen handeln kann. Bei einer derartigen Einrichtung kann
es sich z.B. um eine Maus oder um eine Tastatur handeln.
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Die
gespeicherten Daten beziehen sich bevorzugt auf mindestens zwei,
bevorzugt mindestens drei, bevorzugter mindestens vier unterschiedliche Wachstumsbedingungen.
Bevorzugt werden mindestens zwei, bevorzugter mindestens drei und
insbesondere mindestens vier Wachstumsbedingungen bestimmt und in
das Überwachungssystem
eingegeben.
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Wachstumsbedingungen
können
durch Beobachtung (z.B. für
den Pflanzentyp) oder durch Messung (z.B. für den Wassergehalt im Substrat
oder die Umgebungstemperatur) bestimmt werden.
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Für die Beziehung
zwischen dem Sauerstoffgehalt im Wasser und bestimmten Wachstumsbedingungen
kann die Datenbank z.B. Informationen zum kritischen Sauerstoffdruck
für bestimmte
Pflanzentypen bei einem angegebenen Alter und/oder für unterschiedliche
Tageszeiten enthalten. Der kritische Sauerstoffdruck (COP) ist eine
Art zur Definition des notwendigen minimalen Sauerstoffgehalts im
Wasser bei einem bestimmten Satz von Bedingungen, d.h. des optimalen
Sauerstoffgehalts im Wasser. Der kritische Sauerstoffdruck wird
von Berry, L. J. und Norris, W. E. in Biochem. Biophys. Acta. 3:
593–606 (1949)
definiert. Der kritische Sauerstoffdruck kann als Prozentsatz ausgedrückt werden,
wobei in diesem Fall es sich um den Prozentsatz von Sauerstoff im
Wasser auf Basis des maximal möglichen
(21%) handelt. Vorzugsweise wird er jedoch als Konzentration Sauerstoff
in Wasser mg O2/Liter Wasser (mg/l) ausgedrückt und
in der Anmeldung geben wir Werte in mg/l.
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Insbesondere
wurde festgestellt, dass für
Tomaten und Gurken Pflanzen bei verschiedenem Alter folgende COP-Werte
in einem Substrat mit einem Wasserdurchsatz von 0 und einen Wassergehalt
von 100% aufweisen:
Tomate, Alter 150 bis 200 Tage, vorzugsweise
175 bis 190 Tage (immer Tag und Nacht): 3 bis 6 mg/l, bevorzugt
4 bis 5 mg/l.
Gurke, Alter 50 bis 100 Tage, bevorzugt 60 bis
80 Tage, morgens: 5 bis 7 mg/l, bevorzugt etwa 6 mg/l.
Gurke,
Alter 50 bis 100 Tage, bevorzugt 60 bis 80 Tage, Tagesmitte: 4 bis
6 mg/l, bevorzugt etwa 5 mg/l.
Gurke, Alter 50 bis 100 Tage,
bevorzugt 60 bis 80 Tage, nachts: 2 bis 5 mg/l, bevorzugt 3 bis
4 mg/l.
Gurke, Alter 140 bis 90 Tage, bevorzugt 150 bis 170 Tage,
morgens: 3 bis 5 mg/l, bevorzugt etwa 4 mg/l.
Gurke, Alter
140 bis 180 Tage, bevorzugt 160 bis 170 Tage, Tagesmitte: 1 bis
3 mg/l, bevorzugt etwa 2 mg/l.
Gurke, Alter 140 bis 180 Tage,
bevorzugt 150 bis 170 Tage, nachts: 1 bis 3 mg/l, bevorzugt etwa
2 mg/l.
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Die
Erfindung ist daher besonders wertvoll, wenn die gespeicherten Daten
optimale Sauerstoffgehalte im Wasser für Wachstumsbedingungen enthalten,
die aus der Gruppe Pflanzentyp, Pflanzenalter, Tageszeit und Wasserdurchsatz
ausge wählt
sind. Die Wachstumsbedingungen beinhalten besonders bevorzugt zumindest
eine aus Pflanzentyp, Pflanzenalter und Tageszeit, bevorzugter alle
drei.
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Es
folgt eine Möglichkeit
zur Bestimmung der COP-Werte. Ein Block Mineralwoll-Wachstumssubstrat
enthaltend die Pflanze wird mehrere Male mit sauerstoffreichem Wasser
gespült.
Nach dem Spülen wird
der Block in einen offenen Kasten mit einem Volumen von 650 ml gelegt.
Ein zweiteiliger Deckel wird auf den Kasten gelegt und alle Fugen
werden mit Ton abgedichtet. Ein Sauerstoffsensor, z.B. wie in WO 01/63264
beschrieben, wird in den Kasten gebracht, in das Wachstumssubstrat
eingebettet und der Sauerstoffgehalt wird über einen vorbestimmten Zeitraum
gemessen. Dieses Verfahren ist für
kleine Pflanzen besonders geeignet.
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Für größere Pflanzen
wird ein unterschiedliches System verwendet, das kein Abdichten
der Pflanze in dem Kasten beinhaltet Stattdessen wird davon ausgegangen,
dass das Spülen
des Blocks des Mineralwoll-Wachstumssubstrats einen Wassergehalt
von 100% im Substrat ergibt und somit die Diffusionsgeschwindigkeit
von Sauerstoff in das Wachstumssubstrat im wesentlichen 0 ist. Bei
diesem Verfahren wird der gespülte
Block in einen offenen Kasten gebracht, der nicht abgedichtet ist.
Der Sauerstoffsensor wird in das Wachstumssubstrat eingebettet und
der Sauerstoffgehalt über
einen vorbestimmten Zeitraum gemessen.
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Aus
der Änderung
der Werte im Sauerstoffgehalt über
die Zeit kann die Geschwindigkeit des Sauerstoffverbrauchs abgebildet
werden. Bei Sauerstoffkonzentrationen oberhalb des COP ist der Sauerstoffverbrauch
konstant. Bei Sauerstoffkonzentrationen unterhalb des COP verringert
sich der Sauerstoffverbrauch rasch über die Zeit. Daher kann ein
Diagramm des Sauerstoffgehalts gegen die Zeit erstellt werden, das
einen ersten Abschnitt, gewöhnlich
mit einem großen
Gradienten, der im wesentlichen linear ist, und einen weiteren Abschnitt
mit einem geringen Gradienten in der Nähe von 0 beinhaltet. Die Sauerstoffkonzentration,
bei der das Diagramm zuerst von der Linearität abweicht, ist der COP. Ein
Beispiel für ein
derartiges Diagramm ist in 1 gezeigt,
in dem der COP etwa 4% beträgt.
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Wir
haben festgestellt, dass der Wasserdurchsatz durch das Wachstumssubstrat
eine bedeutsame Wirkung auf die Sauerstoffgehalte im Wasser, die
erforderlich sind, haben kann. Insbesondere kann der optimale Sauerstoffgehalt
im Wasser kleiner sein, wenn der Wasserdurchsatz größer ist,
da dies unvermeidlich eine hohe Ergänzungsrate mit sich bringt.
Ferner können
hohe Wasserdurchsätze zu
Turbulenzen führen
und den Transport von Sauerstoff in die Wurzeln aus dem die Wurzeln
umgebenden Wasser erhöhen.
Folglich muss der optimale Sauerstoffgehalt im Wasser nicht so hoch
sein. Ein bevorzugtes Mittel zum Modifizieren des Wasserdurchsatzes
ist die Anwendung von Luftansaugung oder Luftdruck auf das Substrat.
In einem bevorzugten System wird die Luftansaugung angewendet. Geeignete
Systeme sind in unseren früheren
Patentveröffentlichungen
EP-A-300536 und EP-A-409348
beschrieben. Ein weiteres geeignetes System ist in unserer internationalen
Patentveröffentlichung
Nr. WO 02/05808 beschrieben.
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Wir
haben auch festgestellt, dass der optimale Sauerstoffgehalt im Wasser
entsprechend dem Wassergehalt im Wachstumssubstrat variieren kann. Dies
ist so, weil die Diffusionsgeschwindigkeit von Sauerstoff in Wasser
deutlich (10.000 Mal) kleiner ist als die Diffusionsgeschwindigkeit
von Sauerstoff in Luft. Substrate mit einem geringeren Wassergehalt und
damit einem größeren Luftgehalt
zeigen einen größeren Grad
an Sauerstoffdiffusion in und durch das Substrat und daher muss
der optimale Sauerstoffgehalt im Wasser nicht zu jeder Zeit so hoch
sein wie in Fällen,
in denen die Diffusionsgeschwindigkeit geringer ist. Das nachstehend
erörterte
Sauerstoffdiffusionsmodell ist eine Art zur Bestimmung des Diffusionskoeffizienten
für jedes
gegebene System.
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Der
Diffusionskoeffizient D für
jedes bestimmte System kann unter Verwendung der folgenden Beziehung
bestimmt werden: ac/at = a (DxxΦac/ax)/ax
+ a(DyyΦac/ay)/ay
+ a(DzzΦac/az)/azworin
c die Konzentration ist, t die Zeit ist und x, y und z die Abstände im Block
jeweils in den x-, y- und z-Richtungen vom Sensor sind. Dxx, Dyy und Dzz sind die Diffusionskoeffizienten in den
x-, y- bzw. z-Richtungen. Es wird im allgemeinen angenommen, dass diese
gleich sind. Φ ist
die Porosität
des Substrats (gemessen in herkömmlicher
Weise durch Bestimmung der Zeit, die erforderlich ist, um eine bestimmte Menge
Flüssigkeit
durch das Substrat zu spülen).
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Somit
ist es möglich,
dass die gespeicherten Daten Einzelheiten zu Diffusionskoeffizienten
für bestimmte
Sätze von
Gegebenheiten, insbesondere den Wassergehalt eines Substrats, enthalten.
Ein Steinwoll-Wachstumssubstrat mit einem Wassergehalt von etwa
31% kann z.B. einen Diffusionskoeffizienten von 1 × 10–8 bis
1 × 10–6,
vorzugsweise 1,5 × 10–8 bis
9 × 10–2 m2/s, aufweisen. Systeme mit einem Wassergehalt
von etwa 52% können
einen Diffusionskoeffizenten von etwa 5 × 10–9 bis
etwa 3 × 10–7 m2/s aufweisen. Ein Wachstumssubstrat mit
einem Wassergehalt von etwa 93% kann einen Diffusionskoeffizienten
im Bereich von etwa 4 × 10–10 bis
7 × 10–9 m2/s aufweisen.
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Es
ist ersichtlich, dass die Erfindung ein System bereitstellt, in
dem potentiell alle diese Faktoren berücksichtigt werden können. So
beinhaltet z.B. eine Ausführungsform
das Wachstum von Pflanzen, wie Tomaten und Gurken, in dem die gespeicherten Daten
Informationen über
den COP dieser Pflanzen bei verschiedenen Wachstumsstufen und verschiedenen
Tageszeiten zusammen mit Daten über
den Einfluss des Wassergehalts und des Wasserdurchsatzes auf den
optimalen Sauerstoffgehalt im Wasser (oder COP) beinhalten.
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Das
Eingeben des tatsächlichen
Sauerstoffgehalts im Wasser und von Einzelheiten zum Pflanzentyp,
Alter, Tageszeit, Wasserdurchsatz, falls relevant, und Wassergehalt
ermöglicht
eine genaue Bestimmung des optimalen Sauerstoffgehalts im Wasser
für den
relevanten Satz von Umständen.
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Im
Verfahren wird ein Sauerstoffsensor zur Messung des tatsächlichen
Sauerstoffgehalts im Wasser verwendet. Dieser Sensor ist vorzugsweise einer
von denen, die von Draaijer et al. in "A novel optical method to determine
oxygen in beer bottles", EBC
27. Kongress 1999, und "An
Optical Oxygen Sensor" 1999
(beide vorstehend erörtert)
oder WO 01/63264 beschrieben sind.
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Alternative
Systeme sind von Bambot, S. B. et al., "Phase fluorimetric sterilisable optical
oxygen sensor",
Biotechnology and Bioengineering, Bd. 43, Seiten 1139–1145, 1994;
Cox, M. E. et al., "Detection of
oxygen by fluorescence quenching",
Applied Optics, Bd. 24, Nr. 14, S. 2114–2120, 1985; Meier, B. et al., "Novel oxygen sensor
material based on a ruthenium bipyridyl complex encapsulated in
zeolite Y", Sensor
and Actuators B29 (1995) 240–245,
offenbart.
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Somit
basiert der Sauerstoffsensor bevorzugt auf der Fluoreszenzlöschung durch
Sauerstoff. Elektrochemische Clark-Sauerstoffsensoren können auch
verwendet werden, sind aber weniger bevorzugt.
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Der
tatsächliche
Sauerstoffgehalt im Wasser kann dem Überwachungssystem automatisch
direkt vom Sauerstoffsensor geliefert werden oder er kann gemessen
und dann manuell eingegeben werden.
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Die
Sensorvorrichtung ebenso wie das Messen das Sauerstoffgehalts im
Wasser können
ebenfalls als eine einzelne Vorrichtung konfiguriert werden, welche
andere Parameter der Wachstumsumgebung misst. Ein Sensor kann neben
der Messung des Sauerstoffgehalts im Wasser ebenso andere Parameter,
wie Substratwassergehalt und Temperaturen, vorzugsweise beide, messen.
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In
dem Verfahren kann der Sensor in jeder Weise angeordnet werden,
welche die Bestimmung des tatsächlichen
Sauerstoffgehalts im Wasser ermöglicht.
Wir haben aber festgestellt, dass in einigen Ausführungsformen
ein in das Wachstumssubstrat eingeführter Sensor die konsistentesten
Messungen ergibt, wenn er 0,5 bis 4 cm, vorzugsweise 0,5 bis 2 cm,
von dem Grund des Substrats angeordnet ist.
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Bei
dem Verfahren wird das Wachstumssubstrat bewässert. Dies kann periodisch
vonstatten gehen, erfolgt im allgemeinen aber kontinuierlich. Es kann
sich um jedes herkömmliche
Verfahren handeln, z.B. Zutropfen. Das Wachstumssubstrat wird mit
Wasser und gegebenenfalls Düngemitteln
versorgt und überschüssiges Wasser
wird aus dem System entfernt.
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Andere
Gase und Additive oder Nährstoffe können das
Wachstum der Pflanzen beeinflussen, wenn sie im Wasser im Bereich
der Wurzeln gelöst sind.
Diese umfassen Kohlendioxid, Ethylen und Methanol, insbesondere
Ethylen. Es ist ersichtlich, dass die Erfindung auch für derartige
Gase angewendet werden kann, wenn stattdessen Daten verwendet werden,
die sich auf optimale Gehalte dieser Gase im Wasser beziehen, und
die Gehalte dieser Gase gemessen werden.
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Andere
Bestandteile des Wassers im Bereich der Pflanzenwurzeln können unter
einigen Umständen
eine Konzentration aufweisen, die vom Sauerstoffgehalt abhängt. Daher
ist es in der Erfindung möglich,
dass die Messung des tatsächlichen
Sauerstoffgehalts im Wasser durch Ermitteln des Gehalts eines anderen
Bestandteils und Verwenden einer bekannten Beziehung zwischen diesem
Bestandteil und dem Sauerstoffgehalt im Wasser zur Bestimmung des
tatsächlichen
Sauerstoffgehalts im Wasser erfolgt. Der Kohlendioxidgehalt im Wasser
hängt z.B. vom
Sauerstoffgehalt im Wasser ab und es ist daher möglich, einen Kohlendioxidsensor
bereitzustellen, der den tatsächlichen
Kohlendioxidgehalt im Wasser ermittelt, und die bekannte Beziehung
zwischen dem Kohlendioxidgehalt und dem Sauerstoffgehalt zu verwenden,
um den tatsächlichen
Sauerstoffgehalt im Wasser zu ermitteln.