Development of a manure-based nutrient supply for hydroponic crop production using ion activity monitoring

With the increase in population and food demand, and, the limit of water and land available, novel methods are needed to produce food. Over the last decades, there has been a growth in controlled environments, especially greenhouses, and the use of hydroponic systems to produce food. In this context, the present thesis elaborates different approaches to grow food in a hydroponic system using organic fertilizers.The first study investigated different techniques to prepare a nutrient solution with cow, chicken and turkey manure. The objective of the study was to determine the impact of aerated manure extract on the growth of lettuce and kale under different manure concentrations. Nutrient analysis showed 29 to 79% higher concentration of NH4 and higher total nitrogen in the manure extracts, which may have induced toxicity in plants. Principal component analysis of the nutrient solutions identified six nutrient that needs to be monitored to maximize plant yield using manure extracts: NO3, NH4, Ca, Mg, Mn, and Na. The highest biomass was produced for both plants in the turkey extract at 50 g/L, while all plants died in the chicken extract at 50 g/L. The second study focused on a method to balance the nutrient solution made from animal manure. Specifically, powder and solid blast-furnace slag (90%) and Portland cement (10%) from Lafarge was added to chicken extract solution to balance the potassium and calcium levels. Animal manure is known to be nutrient deficient in K and Ca, while they contain Na which can be toxic to plants at high concentrations. The addition of Portland cement powder and cured cement blocks increased the Ca, K and Na content respectively in the solutions, without reaching toxic levels for Na. Healthy plants were grown in the manure and dry slag cement solution, however they were a fraction of the control treatment.The third experiment focused on the reduction of ammonium and the increase of nitrate in the chicken manure extract. Aeration and the addition of molasses was used to promote the growth of beneficial microorganisms to mineralize the nutrients and make it available for the plants. Aeration of chicken extract solution promoted nitrification and resulted in a reduction of ammonium content by 62% within a period of 12 days. Molasses was added to promote denitrification and to control nitrate levels in the solution, however the nitrate levels were still minimal, below 10 mg/L, at the end of the experiment.In the fourth experiment, three methods of measurement for ammonium and nitrate were compared. This included the API water test kit, ion-selective electrodes and the Lachat flow injection instrument. The API test kit was not reliable even after the pre-treatment steps. ISE was the best method to measure NH4, however a linear regression model was required to adjust ISE measurements. NO3 in the manure extracts was low and difficult to measure with both API and ISE methods.In the fifth study, a controlled area network binary unitary system was designed to monitor moisture and temperature levels in different hydroponic beds and to activate water pumps for irrigation purposes. The highest yield was measured in the timed treatment, where moisture varied from 88%-100%, with the lowest in the 25%-85% treatment. Individual plant wet and dry mass was monitored using a remote sensing instrument and confirmed at harvest. The sixth study was on the design and implementation of a bioreactor and a nutrient monitoring instrument using ion-selective electrodes in a research facility. Polar Eggs, a poultry farm located in Hay River, Northwest Territories of Canada, designed and created the PoutryPonics facility. This controlled environment facility was designed for experimenting food production and was created to address food insecurity in northern Canada. Within PoultryPonics, chickens were raised, and their manure was transformed to manure extracts for the use in hydroponic systems.Avec l’augmentation de la population et de la demande alimentaire, et la limite d’eau et de terres disponibles, de nouvelles méthodes sont nécessaires pour répondre à la demande en nourriture. Au cours des dernières décennies, il y a eu une croissance de l’agriculture dans des environnements contrôlés, en particulier des serres, et l'utilisation de systèmes hydroponiques pour la production de nourriture. Dans ce contexte, la présente thèse élabore différentes approches pour la culture de plantes dans un système hydroponique avec des engrais organiques. La première étude portait sur les techniques permettant de préparer une solution nutritive avec du fumier de vache, de poule et de dinde. L’objectif de l’étude était de déterminer l’impact de l’extrait de fumier aéré sur la croissance de la laitue et du chou frisé sous différentes concentrations de fumier. L'analyse des éléments nutritives a révélé une concentration de NH4 supérieure de 29% à 79% et une teneur totale en azote plus élevée dans les extraits de fumier, ce qui aurait pu induire une toxicité chez les plantes. L’analyse en composantes principales des solutions nutritives a identifié six éléments nutritifs qui doivent être surveillés afin d’optimiser la pousse des plantes utilisant l’extrait de fumier: le NO3, le NH4, le Ca, le Mg, le Mn et le Na. La seconde étude portait sur une méthode permettant d'équilibrer la solution nutritive à base de fumier animal. Des scories de ciment solides et en poudre ont été ajoutées à une solution d'extrait de poule pour équilibrer les niveaux de potassium et de calcium. L’addition de poudre de ciment de scories sèches et de blocs de ciment de scories durcis a augmenté les concentrations de Ca, de K et de Na contenu dans les solutions. Des plantes saines ont été cultivées dans la solution de fumier et de ciment de scories durcis, mais elles représentaient une fraction de la masse totale hors sol humide du traitement de contrôle.La troisième expérience portait sur la réduction de l'ammonium et l'augmentation des nitrates dans l'extrait de fumier de poule. L'aération et l'ajout de mélasse ont été utilisés pour favoriser la croissance de micro-organismes bénéfiques afin de minéraliser les nutriments. L'aération de la solution d'extrait de poule a favorisé la nitrification et a conduit à une réduction de la teneur en ammonium de 62% en l'espace de 12 jours. De la mélasse a été ajoutée pour favoriser la dénitrification et contrôler les niveaux de nitrate dans la solution.Dans la quatrième expérience, trois méthodes de mesure d'ammonium et de nitrate ont été comparées. Cela comprenait le kit de test d’eau API, les électrodes sélectives d’ions et l’instrument d’injection de flux Lachat. La spectrométrie Lachat est la méthode la plus couramment utilisée. Le kit de test API n'était pas fiable même après les étapes de prétraitement. L’ISE était la meilleure méthode pour mesurer NH4, mais un modèle de régression linéaire était nécessaire pour ajuster les mesures. Dans la cinquième étude, un système de CAN bus a été conçu pour surveiller les niveaux d'humidité et de température dans différents lits hydroponiques et pour activer les pompes à eau à des fins d'irrigation. Le rendement le plus élevé a été mesuré dans le traitement chronométré, où l’humidité variait de 88% à 100%. La masse sèche et humide des plantes individuelles a été mesurée à l'aide d'un instrument de télédétection et a été confirmée par pesée suite à la récolte.La sixième étude portait sur la conception et la mise en œuvre d'un bioréacteur et d'un instrument de surveillance des éléments nutritifs utilisant des ISEs dans une installation. L'installation PoultryPonics, un environnement contrôlé conçu pour la production alimentaire, a été créée pour lutter contre l'insécurité alimentaire dans le nord Canadien. À l’intérieur de l’installation, des poules ont été élevés et leur fumier a été transformé en extraits de fumier pour être utilisé dans des systèmes hydroponiques