MARC ANDRÉ LAPLANTE

ÉTUDE DE LA PERFORMANCE D'UN SYSTÈME DE DÉSINFECTION DE LA

SOLUTION NUTRITIVE PAR OZONISATION SUR LES ASPECTS

MICROBIOLOGIQUES ET AGRONOMIQUES D'UNE CULTURE DE TOMATE DE

SERRE

Mémoire présentéà la Faculté des études supérieures de l'Université Laval

dans le cadre du programme de maîtrise en biologie végétalepour l'obtention du grade de maître es sciences (M.Se.)

DEPARTEMENT DE PHYTOLOGIEFACULTÉ DES SCIENCES DE L'AGRICULTURE ET DE L'ALIMENTATION

UNIVERSITÉ LAVALQUÉBEC

JANVIER 2006

© Marc André Laplante, 2006

Résumé

La performance d'un système de désinfection de la solution nutritive par ozonisation sur les

aspects microbiologiques et agronomiques a été déterminée pour une culture de tomate de

serre. Des doses d'ozone de 3,5, 5,3 et 14,1 ppm ont été appliquées à la solution nutritive

et les résultats furent insatisfaisants. Ces mauvais résultats pourraient s'expliquer par un

contact insuffisant entre les molécules d'ozone et les microorganismes dans le système

spécifique installé dans le cadre de ce projet. L'ajout de peroxyde et/ou de chlore a permis

d'améliorer la désinfection de façon importante. Le chlore a procuré les meilleurs résultats

avec une élimination de plus de 92 % des bactéries tandis que le peroxyde a amélioré la

désinfection d'environ 30 à 40 %. La meilleure désinfection a été obtenue par l'injection

d'ozone (9 ppm) et de chlore (8 ppm). Le traitement combinant l'ozone à 9 ppm et le chlore

à 8 ppm a été appliqué pour une culture complète de tomate. La désinfection a été quasi

parfaite (plus de 99 % pour les bactéries et 100 % pour les champignons) avec ces doses.

Nous avons, en outre, mesuré l'effet des traitements de désinfection et du recyclage sur la

composition minérale des solutions nutritives et la productivité des cultures. La croissance

et le développement, la qualité et le rendement d'une culture de tomate n'ont pas été

affectés par la désinfection à l'ozone et au chlore ainsi que par le recyclage des solutions

nutritives.

Avant-propos

Cette étude a été réalisée sous la direction du professeur André Gosselin et la co-direction

de Dre Martine Dorais, chercheure à Agriculture et Agroalimentaire Canada. L'étude

n'aurait pas été possible sans la participation du Dr. Russell Tweddell, du Dre Carole

Martinez, de M. Michel Lacroix, de M. Danny Doiron, de Mme Linda Gaudreau ainsi que

du personnel technique de Les Serres du St-Laurent inc, du Centre de Recherche en

Horticulture de l'Université Laval et du Laboratoire de diagnostic du Québec.

Je remercie le Ministère de l'Agriculture, des Pêcheries et de l'Alimentation du Québec

(CORPAQ) et Les Serres du S-Laurent inc. qui ont contribué au financement de cette

étude.

TABLE DES MATIERES

RÉSUMÉ 2

AVANT-PROPOS 3

TABLE DES MATIÈRES 4

LISTE DES TABLEAUX 5

LISTE DES FIGURES 6

CHAPITRE I : PROBLÉMATIQUE 7

1.1. Introduction 81.1.1 Profil de l'industrie 81.1.2 Problématique 9

1.2. Les étapes du recyclage 101.3. Les différents systèmes de désinfection 111.4. Nutrition minérale en recirculation 201.5. Volet microbiologique de la recirculation 221.6. Objectifs de recherche 24

1.6.1. Objectif général 241.6.2. Objectifs spécifiques 24

1.7. Hypothèses de recherche 24

CHAPITRE II : ÉTUDE DE LA PERFORMANCE D'UN SYSTÈME DE

DÉSINFECTION DE LA SOLUTION NUTRITIVE PAR OZONISATION SUR LES

ASPECTS MICROBIOLOGIQUES ET AGRONOMIQUES D'UNE CULTURE DE

TOMATE DE SERRE 25

RÉSUMÉ 25

2.1 Introduction 262.2 Méthodologie 282.3 Résultats et discussion 32

2.3.1 Désinfection de la solution nutritive 322.3.2 Croissance et productivité d'une culture de tomate 352.3.3 Évolution minérale des solutions nutritives en recirculation 36

2.4 Conclusion 37

CONCLUSION GÉNÉRALE 50BIBLIOGRAPHIE 52

ANNEXE 1 56ANNEXE 2 57

LISTE DES TABLEAUX

TABLEAU 1 : Le temps (secondes) pour que 95% des spores de Pénicilliumdigitatum et Geotrochum citri-aurantii meurent dans une solution contenant200 |ig de chlore libre par ml à différents pH de 5 et 24 °C. 16

TABLEAU 2 : Liste des analyses microbiologiques effectuées dans le cadre del'expérience sur la performance d'un système de désinfection de la solutionnutritive par ozonisation sur une culture de tomate de serre. 39

TABLEAU 3 : Effet de 3 doses d'ozone sur la désinfection de la solution nutritived'une culture de tomate. 40

TABLEAU 4 : Influence d'une ozonisation à 9 ppm suivie d'un ajout de différentesconcentrations de peroxyde en laboratoire sur le nombre de bactéries dans la solutionnutritive. 41

TABLEAU 5 : Effet de différentes concentrations de chlore et de peroxyde sur lapopulation bactérienne d'une solution nutritive préalablement traitée par uneozonisation à 9 ppm. 42

TABLEAU 6 : Influence de l'ajout de peroxyde et/ou de chlore après un traitement àl'ozone (9 ppm) sur les populations fongiques dans la solution nutritive. 43

TABLEAU 7 : Effet de différentes doses de chlore ajoutées à l'ozonisation de 9 ppmsur les populations bactériennes dans la solution nutritive. 44

TABLEAU 8 : Évolution des populations fongiques dans la solution nutritiverecyclée et traitée ou non avec à une ozonisation à 9 ppm et une chloration à8 ppm à trois dates différentes. 46

TABLEAU 9 : Croissance et développement mesurés sur une culture de tomate avecou sans recyclage des solutions nutritives. 47

TABLEAU 10 : Effet de la recirculation durant une période de 10 semaines sur laconductivité électrique (CE) et le pH des solutions nutritives. 48

LISTE DES FIGURES

FIGURE 1 : Solubilité de l'ozone dans l'eau en fonction de la température. 18

FIGURE 2 : Évolution des populations bactériennes (CFU/ml) de la solutionnutritive traitée ou non par une injection de 9 ppm d'ozone et 8 ppm de chlore. 45

FIGURE 3 : Évolution des concentrations du sodium (a), des sulfates (b) et deschlorures (c) dans les solutions nutritives sur une période de 10 semaines. 49

Chapitre I

PROBLÉMATIQUE

1.1 Introduction

1.1.1 Profil de l'industrie serricolc

On retrouve l'industrie serricole la plus développée en Europe. Les pays nordiques

(Pays-Bas, Scandinavie et Belgique) présentent des serres avec des technologies plus

avancées tandis que les serres situées au sud de FEurope, tel qu"en Espagne, en Italie et en

Grèce sont majoritairement de type «cultures abritées». Les Pays-bas sont le chef de file

mondial en ce qui a trait à l'industrie serricole. L'industrie nord-américaine est moins

développée au niveau des superficies totales, mais les serres qui s'y trouvent sont

généralement assez avancées technologiquement, surtout au Canada.

Production canadienne

On retrouve au Canada environ 2 000 ha en culture sous serres. Les recettes pour

l'année 2003 ont dépassé 2,1 milliards de dollars. La production en serre se fait dans

chaque province, mais elle se concentre en Ontario avec environ 50 % de la production

canadienne. La Colombie-Britannique produit environ 25 % et le Québec 12 % de la

production serricole canadienne totale (Purdy, 2005).

Selon Statistique Canada, le Canada a produit pour une valeur de 300 millions de

dollars en tomates de serre durant l'année 2003. L'industrie canadienne de production de

tomates de serre a connu une très forte croissance au cours des dix dernières années. Depuis

1996, la production de tomates de serre et la valeur monétaire de cette industrie ont plus

que doublé (Purdy, 2005).

Production québécoise

La production québécoise de tomates de serre en 2002 était estimée à plus de 13 000

tonnes, pour une valeur de plus de 33 millions de dollars (MAPAQ, 2003). Depuis cinq ans,

l'accroissement observé de la production de légumes de serre au Québec s'explique par

l'amélioration du rendement, et non pas par l'accroissement des superficies (Statistiques

Canada, 2002).

1.1.2 Problématique

Une des principales problématiques rencontrées dans la culture de la tomate de serre

est le rejet d'engrais et le gaspillage d"eau via le lessivage des solutions nutritives

Les surplus des solutions nutritives (qui peuvent aller jusqu'à 50 000 l/ha/jour) sont

la plupart du temps rejetés dans l'environnement à même l'égout pluvial. D'après une étude

de Tùzel et coll. (2001), la consommation d'éléments nutritifs a diminué de 32-34 % en

système fermé comparativement au système ouvert. D'après cette même étude, la

recirculation de la solution nutritive représentait des économies en eau de l'ordre de 30 %.

C'est en raison de la problématique du rejet d'engrais dans l'environnement que le

concept du recyclage de la solution nutritive est né. La législation de certains pays

d'Europe oblige les serriculteurs à limiter leurs rejets dans l'environnement. Déjà plusieurs

producteurs européens ont établi leur production en système fermé. Au Canada, la

législation n'est pas encore établie en ce sens, mais ça ne saurait tarder.

1.2 Les étapes du recyclage

Récupération

Les solutions nutritives lessivées hors des substrats sont récupérées. Les systèmes

les plus couramment utilisés sont les dalots au sol ainsi que les gouttières suspendues.

L'écoulement des solutions nutritives via les dalots au sol nécessite que le sol soit nivelé

avec une pente, ce qui n'est pas le cas des gouttières suspendues. Par la suite, les solutions

nutritives sont dirigées vers des bassins où elles sont entreposées.

Désinfection

Après sa récupération et son entreposage, la solution nutritive doit être désinfectée.

La désinfection consiste à éliminer la quasi-totalité des différents agents pathogènes

présents dans la solution nutritive lessivée. Cette opération est primordiale pour éviter toute

contamination des plants sains.

Recalibra tion

Cette étape vise à équilibrer la solution nutritive recyclée en tenant compte des

éléments qui sont grandement absorbés par les plants et ceux qui s'accumulent. Selon la

littérature (Baas et Berg, 1999; Heinen et Willengen, 1999: Le Quillec, 2002), les éléments

Na, Ca, Mg, SO4 et Cl peuvent s'accumuler, alors que la concentration d'autres ions (K,

NO3, PO4, etc) est souvent déséquilibrée. Le réajustement de la recette se fait en fonction de

l'analyse des solutions lessivées et du pourcentage de la recette finale qui provient du

recyclage des solutions nutritives comparativement aux solutions fraîches. Le moyen le

plus efficace pour atténuer les fluctuations du pH en recirculation est la modulation de la

concentration en ions NH4"1".

10

1.3 Les différents systèmes de désinfection

Plusieurs systèmes de désinfection sont utilisés dans l'industrie serricole. La

pasteurisation et les rayons ultra-violets sont les deux systèmes les plus utilisés, mais la

filtration. la chloration et l'ozonisation s'avèrent de nouvelles technologies prometteuses.

Traitement à la chaleur (pasteurisation)

La pasteurisation consiste à amener la solution dans un échangeur de chaleur et à la

chauffer jusqu'à 95 °C durant un minimum de 30 secondes (Runia, 2001). L'efficacité de

ce traitement sur les différents pathogènes dépend de la température de la solution nutritive

et de la durée d'exposition du pathogène. La solution nutritive à traiter est souvent acidifiée

jusqu'à un pH de 4 pour diminuer les dépôts de calcium dans les échangeurs. De plus, une

filtration de l'eau avant son passage dans les échangeurs est conseillée pour éliminer les

débris organiques (Le Quillec, 2002).

Ce système de désinfection offre une bonne efficacité et s'adapte très bien aux

entreprises de grandes surfaces. De plus, il présente peu de risques de contamination pour

la culture. Par contre, l'utilisation de ce système entraîne une augmentation de 5 °C de la

température de l'eau à la sortie du procédé. En plus, le coût d'implantation est élevé ainsi

que ses coûts d'entretien et de fonctionnement, de 1 à 1,5 m3 de gaz naturel par m3 de

solution nutritive (www.priva.ca). La désinfection à la chaleur nécessite également un

réajustement du pH lors de la conception de la solution nutritive en raison de l'abaissement

du pH avant la pasteurisation (Le Quillec, 2002).

Traitement aux rayons ultra-violets

Les rayons ultra-violets (UV) sont des ondes électromagnétiques dont la longueur

d'onde varie entre 100 et 400 nm. Leur action bactéricide est comprise entre 200 et 280 nm

(Le Quillec, 2002). Ces UV détruisent les pathogènes par une réaction photochimique qui

affecte leur ADN (Runia, 1994b). Les UV sont habituellement produits par le passage d'un

courant électrique entre deux électrodes dans une lampe contenant des vapeurs de mercure.

Il existe deux types de lampes UV, les lampes à haute et à basse pression. Les lampes à

11

haute pression émettent des UV de longueurs d'onde comprises entre 200 et 280 nm, tandis

que les lampes à basse pression émettent un rayonnement à 254 nm (Le Quillec, 2002). La

quantité d'énergie nécessaire à l'irradiation de la flore est moins grande avec les lampes à

basse pression, car la longueur d'onde optimale pour la destruction des pathogènes est

253.7 nm (Gelzhàuser et coll., 1985), qui est produite de façon plus importante par les

lampes à basse pression.

Le traitement aux UV offre une bonne efficacité désinfectante et n'influence pas le

pH de la solution nutritive. De plus, ce type de désinfection peut bien s'adapter aux

complexes serricoles de grandes surfaces. Parmi les désavantages de ce système de

désinfection, on dénote une forte consommation en électricité (énergivore). De plus, ce

système est plus ou moins adapté dans le cas des substrats organiques qui colorent l'eau

drainée. Par ailleurs, la désinfection aux UV détruit une portion des chélates de fer et de

manganèse, ce qui entraîne des dépôts d'oxyde de fer et de manganèse sur les lampes.

Enfin, le remplacement des lampes est difficile et coûteux (Le Quillec, 2002).

Filtration lente sur sable ou biologique

Cette méthode utilise un filtre mécanique généralement du sable, mais parfois des

roches volcaniques auquel s'ajoute à l'occasion un filtre biologique par la présence de

microorganismes (Le Quillec, 2002). La majeure partie de la filtration est faite de façon

mécanique lorsque les spores de fort diamètre sont complètement captées par le filtre. Le

filtre doit être composé de fines particules pour être plus efficace. Le filtre biologique prend

2 à 6 mois pour devenir efficace. Il est composé de bactéries, de protozoaires et de

bactériophages qui adhèrent aux grains ou aux agrégats et formant un film biologique

épurateur. Les mécanismes d'action biologique de ce type de filtre sont la prédation par les

organismes qui y sont présents, le piégeage par les particules composant le filtre et la

désagrégation de la matière organique (Haarhoff et Cleasby, 1991).

Les avantages de la désinfection par filtration lente ou biologique résultent de sa

faible influence sur la solution nutritive et de son faible coût de fonctionnement. De plus,

elle ne présente aucun risque pour l'utilisateur et les cultures. Par contre, on connaît peu

12

son efficacité pour contrôler les virus et les bactéries (Le Quillec, 2002). En plus, cette

méthode s'est avérée plus ou moins efficace contre Fusarium oxysporum (Runia, 1995) et

Radopholus similis (van Os et coll., 1999).

Chloration

Le chlore est un oxydant très actif ; il se combine directement avec presque tous les

éléments. Le chlore attaque tous les éléments, sauf les gaz rares de l'air, l'oxygène, l'azote et

le carbone; il se forme alors tous les chlorures correspondants. L'action désinfectante du

chlore peut se faire par trois formes de chlore:

- Le chlore libre, définit comme la concentration de chlore résiduel dans l'eau

présent sous la forme de gaz dissous (Ch), d'acide hypochloreux (HC1O) et d'ions

hypochlorite (CIO"). Leur proportion respective est déterminée par la valeur du pH et la

température (www.edstrom.com).

- Le chlore combiné, définit comme le chlore résiduel présent dans l'eau en

combinaison avec l'ammonium ou des aminés organiques (NH2CI, NHCI2 et NC13).

- Le chlore total, correspond à la somme du chlore libre et combiné.

Le chlore combiné a une action désinfectante, mais l'essentiel de la désinfection

provient de l'action du chlore libre. Trois formes de chlore sont utilisées : soit le chlore

gazeux, l'hypochlorite de sodium et le dioxyde de chlore. Dans cette étude nous nous

attarderons à une seule de ces formes, soit l'hypochlorite de sodium.

Si on remplace l'eau ajoutée au chlore gazeux (CI2) par du soude (NaOH), il y aura

formation de chlorure de sodium (NaCl), d'eau (H2O) et d'hypochlorite de sodium (NaCIO)

communément appelé «Eau de Javel» :

Cl2 + 2 NaOH ^ NaCl + NaCIO + H2O.

L'hypochlorite de sodium en réaction avec l'eau forme de l'acide hypochloreux :

NaCIO + H2O -^ HC1O + NaOH".

13

Les coûts d'investissement et de fonctionnement de ce système de désinfection sont peu

élevés. De plus, la chloration a pour avantage d'avoir une longue durée d'action ce qui

diminue les chances de recontamination et qui désinfecte de façon continue tout le système

d'irrigation. Finalement, les doses nécessaires pour obtenir une bonne efficacité sont très

faibles. Par contre, la chloration a le désavantage d'éliminer de façon non spécifique les

micro-organismes, autant pathogènes que bénéfiques. De plus, il y a possibilité d'effets

phytotoxiques lors de la dégradation de l'hypochlorite de sodium en chlorate de sodium (Le

Quillec, 2002).

Les solutions d'hypochlorite de sodium sont des solutions instables. Elles doivent

être entreposées dans des conditions fraîches, sèches et sombres pour éviter leur

dégradation. La décomposition de l'hypochlorite de sodium peut se faire de deux façons, la

première :

2NaC10 ->2NaCl + O2

qui entraîne la formation de chlorure de sodium et le dégagement d'oxygène. Par contre, la

dégradation de l'hypochlorite de sodium peut également se produire de la façon suivante:

3 NaCIO -> 2 NaCl + NaC103

amenant de fait même la libération de chlorure de sodium et de chlorate de sodium qui est

un herbicide non-sélectif (The Royal Society of Chemistry, 1983).

Il est considéré phytotoxique pour toutes les parties aériennes des plantes. Il peut

également s'avérer toxique via l'absorption racinaire. Le chlorate de sodium se retrouve

dans une panoplie d'herbicides commerciaux. Il est également utilisé en combinaison avec

d'autres herbicides comme l'Atrazine, le 2,4-D ou le Diuron. Le chlorate de sodium est

principalement utilisé pour le contrôle de la végétation le long des routes. Lorsqu'il est en

solution aqueuse, il peut demeurer présent très longtemps puisqu'il n'est pas sensible à

l'oxydation (The Royal Society of Chemistry, 1983). Sa propriété herbicide est liée à sa

structure qui est analogue à celle des nitrates (NO3"). Habituellement les nitrates sont

assimilés par les racines des plantes puis réduits en ions nitrite (NO2"), sous l'effet de la

nitrate réductase. Dans le cas des ions chlorate, la réduction par la nitrate réductase entraîne

la formation d'ions chlorite (CIO2) qui entraînent la mort des cellules.

14

Une étude (Chastagner et Riley, 2002) a été réalisée pour évaluer l'utilisation

potentielle du dioxyde de chlore dans la prévention de la propagation de Fusarium

oxysporum f. sp. narcissi lors du traitement à l'eau chaude des bulbes de jonquille.

Auparavant, le formaldéhyde était utilisé, mais plusieurs restrictions limitent désormais cet

usage. Le choix d'utilisation du dioxyde de chlore plutôt que celui du chlore lui-même

vient du fait que l'activité du dioxyde de chlore contrairement au chlore simple n'est pas

diminuée en présence de hautes teneurs en matière organique, situation que l'on retrouve

dans les réservoirs de trempage. Cette étude a montré qu'une concentration de dioxyde de

chlore de 5 à 10 ppm pouvait efficacement contrôler les niveaux d'inoculum de Fusarium

durant le traitement de bulbes de jonquille à l'eau chaude. De plus, il n'y avait aucune

indication d'effets délétères sur la croissance des bulbes après ce traitement.

Une étude de Smilanick et coll. (2002) a quantifié la toxicité du chlore aux spores

de Pénicillium digitatum et Geotrochum citri-aurantii qui causent respectivement la

moisissure verte et la pourriture aigre du citron. À une concentration de 200 p.g de chlore

libre par ml d'eau à un pH de 8,3, 95 % des spores Pénicillium digitatum étaient éliminées

en 180 secondes à 5 °C comparativement à 32 secondes à 24 °C (tableau 1). Quatre-vingt

quinze pourcent des spores de Geotrochum citri-aurantii sont éliminées en 108 secondes à

5 °C et en 31 secondes à 24 °C. Donc, une augmentation de la température a pour effet de

diminuer le temps de contact nécessaire du chlore pour détruire les spores. Un

accroissement du pH augmente le temps de contact nécessaire pour éliminer 95 % des

spores.

15

Tableau 1 : Le temps (secondes) pour que 95% des spores de Pénicillium digitatum et

Geotrochum citri-aurantii meurent dans une solution contenant 200 \ig de chlore libre

par ml à différents pH et températures

pH

7.08.09.0

10.08.38.3

Temp ("C)

24.024.024.024.024.05.0

LTs,s

13.219.129.488.42S.3

180.2

i\ digitalum

95% CI

Lower

11.716.324.377-824.7

149.1

Uppcr

16.825,142.7

108.335.9

250.5

3.012.656.6

114.031.0

• "108.4 "

G. citri-aurantu

9S% Cl

Lower

2.510.151.9

10Ô.025.091.0 — -

Upp«r

4.119.168.S

154.042.8

-136.9

• Tlie LTW and 95% coafidcnce inttrvals (CT> werc dctermioed by probit analysis

tiré de Smilanick et coll. (2002)

Poncet et coll.(2001) ont mené une étude de différents systèmes de désinfection de

la solution nutritive, dont la chloration sur des cultures de rosé et de gerbera. Une

concentration minimale de 4 mg/L de chlore actif et un temps de contact d'au moins 30

minutes étaient nécessaires pour obtenir une bonne élimination des bactéries et des spores

de champignons. En plus de donner de bons résultats au niveau du contrôle sanitaire, aucun

symptôme de phytotoxicité n'a été observé.

Ozonisation

L'ozone est le plus puissant agent oxydant pour toutes les formes de matière

organique (Runia, 1994a). Son pouvoir désinfectant dépend de sa concentration et de la

durée d'exposition à laquelle sont soumis les microorganismes. Plus sa concentration est

élevée, plus le temps nécessaire pour désinfecter la solution est court (Le Quillec, 2002).

L'ozone est artificiellement produit par l'action de décharges électriques à haute

tension dans l'air produites par des lampes Corona. La décharge électrique scinde la

molécule d'oxygène en deux générant deux atomes d'oxygène. Puis, une collision entre

l'atome d'oxygène (O) et une molécule d'oxygène diatomique (O2) crée une molécule

d'ozone (O3) qui est chargée négativement (Carruthers, 1997). La réaction de la synthèse de

l'ozone est la suivante :

3 O2 + énergie <=> 2 O3

16

La désinfection provient de différents types de réaction, soit la cycloaddition,

l'autooxydation, l'attaque nucléophile, l'attaque électrophile et la réactivité indirecte (Doré,

1989).

La réaction de cycloaddition nécessite que la structure dipolaire de l'ozone soit

envisagée. Cette réaction interviendrait au niveau des liaisons insaturées. La réaction

d'addition 1,3-dipolaire peut également s'appliquer pour les liaisons carbone-hydrogène

activées ou non. Une liaison est activée si l'état de transition au cours de l'ozonation est

stabilisé par un groupe donneur d'électrons comme un groupe amino, hydroxyle ou alkoxy.

Les molécules concernées sont donc les aminés, les alcools, les aldéhydes et les éthers. Les

composés qui ne possèdent pas de liaisons activées sont les alcanes et les cycloalcanes

(Doré, 1989). L'oxydation se ferait sur les liaisons carbone-hydrogène et deux processus

peuvent l'expliquer. Le premier correspond à une réaction de type radicalaire avec

initiation par l'ozone d'une autooxydation (Schubert et Pease, 1956). Le deuxième

s'expliquerait par une addition 1,3-dipolaire (White et Bailey, 1965; Bach et coll., 1994).

La réaction radicalaire est une réaction en chaîne, dans laquelle l'ozone correspond au

précurseur et l'oxygène à l'oxydant. Cette attaque implique l'oxydation de composés

possédant un déficit électronique. L'attaque de l'ozone se fait sous la forme d'un diradical

(Langlais et coll., 1991). L'attaque électrophile se déroule sur des molécules à forte densité

électronique. Souvent elle vise les composés aromatiques, ce qui conduit à la formation de

quinone (Doré, 1989). Les radicaux libres, issus de la production et de la dégradation de

l'C>3 réagissent avec différents éléments qui deviennent eux-mêmes radicalaires ; une

réaction en chaîne qui s'arrête par la réunion de 2 radicaux libres ou par l'intervention des

systèmes protecteurs (enzymatiques ou non). Un radical libre est un atome ou une molécule

possédant un électron célibataire sur son orbite externe. Il en résulte une instabilité et une

réactivité avec les atomes ou molécules voisins. Les radicaux issus de la production et de la

dégradation de FO3 sont O2", H2O2 et OH", qui attaquent les phospholipides des membranes

cellulaires.

17

L'ozone possède un potentiel de réduction variant de 1,2 à 2,1 V qui augmente avec

une diminution du pH (Ehret et coll., 2001). Son sous-produit de désinfection est l'oxygène

ce qui a comme avantage d'oxygéner l'eau. Les facteurs qui influencent l'efficacité de la

désinfection par l'ozone sont le pH, la température, la présence de matière organique ainsi

que l'état physique des microorganismes (Doré, 1989). Le pH peut affecter plusieurs

mécanismes : il définit la forme oxydante présente dans l'eau (moléculaire ou radiculaire)

et peut affecter la forme des microorganismes (par exemple, favoriser l'agrégation des

virus). D'autre part, une augmentation de la température diminue la solubilité de l'ozone

dans l'eau (figure 1), mais augmente la vitesse de diffusion et de réaction (Carruthers,

1997).

14

isssotmni

12

10

8

6

>Qj

O

0

0 10

\

"S

1 % en masse

2 % en masse

•

5020 30 40

Température (°C)

Figure 1 : Solubilité de l'ozone dans l'eau en fonction de la température

Par contre, cette augmentation de la température augmente la vitesse de

décomposition de l'ozone. La présence de matière organique a pour conséquence

d'accaparer une partie de l'ozone présente dans l'eau. En effet, la quantité d'ozone qui

s'attaque à la matière organique ne sert pas à réagir avec les microorganismes dans la

solution nutritive. L'état physique des microorganismes peut affecter l'efficacité de

l'ozonisation, par exemple, lors d'agglomération de virus. En effet, les virus situés au

centre peuvent être protégés plus longtemps que ceux en périphérie de l'agglomérat. Le fait

18

que l'ozone ait une faible durée de vie pourrait permettre à ces virus de résister assez

longtemps pour que l'ozone soit dissipé, ce qui permettrait ainsi au virus de survivre à

l'ozonisation.

Le passage de la solution non traitée dans un filtre au sable est conseillé pour retenir

les résidus organiques et ainsi concentrer l'effet oxydant de l'ozone sur les micro-

organismes pour augmenter l'efficacité de la désinfection (Le Quillec, 2002).

Une étude menée en laboratoire (Vanachter et coll., 1988) a démontré que l'ozone a

détruit les micro et macroconidies de Corynebacterium et Fusarium, mais que son

efficacité dans une solution nutritive était réduite en raison de son interaction avec les

chélates de fer. Des expériences in vitro avec des organismes mis en culture ont également

démontré l'efficacité de l'ozone à réduire les populations bactériennes de Corynebacterium,

Pseudomonas et Erwinia et les populations fongiques de Fusarium (Yamamoto et coll.,

1990). La période requise pour réduire les populations de 5000 à 1 CFU (colonie formant

unité) était de 60 à 120 minutes. Cependant, les doses d'ozone n'étaient pas mentionnées.

Une autre étude (Runia, 1988) réalisée en laboratoire a démontré que la période requise

pour la destruction de Fusarium et du Verticillium est de 20 minutes. Le virus de la

mosaïque marbré verte du concombre a été complètement éliminé après une exposition de

75 minutes à un potentiel de redox de 673 mV (Runia, 1994a). Le virus de la mosaïque de

la tomate (ToMV) a été complètement détruit après lh de traitement à 20 g d'03/h tandis

que les microsclérotinia de Verticillium restaient infectieuses même après une exposition de

210 minutes (Runia, 1994a).

Cette technique de désinfection s'avère moins énergivore que la pasteurisation et la

désinfection aux ultra-violets. De plus, l'ozonisation ne produit pas de sous-produits

dangereux et amène de l'oxygène à la solution traitée. Par contre, une désinfection par

l'ozone entraîne une oxydation du fer (de 5 à 30%) et du manganèse (de 10 à 15%) (Le

Quillec, 2002). En plus, un bon système de détection d'ozone est nécessaire pour éviter

tous les risques d'intoxication. Finalement, une des faiblesses de l'ozone est qu'elle n'a pas

d'effet rémanent, donc une recontamination rapide est possible.

19

1.4 Nutrition minérale en recirculation

Le recyclage de la solution nutritive implique une correction fréquente des

solutions, puisque la prise des différents minéraux pas les plantes varie en fonction du

climat et de leur stade de développement Une correction rapide et continue est effectuée

par l'ajustement continu du pH et de la conductivité électrique (CE). Par contre, cette

correction ne représente pas la composition de cette solution, d'où l'importance d'avoir une

bonne évaluation de la concentration de chaque ion pour éviter les déséquilibres ioniques et

les conséquences qui s'en suivent.

L'accumulation de certains éléments dans la solution nutritive peut faire varier la

conductivité électrique de la solution et également faire précipiter certains éléments. Les

éléments qui s'accumulent le plus en recirculation sont ceux qui sont le moins absorbés par

la plante ou ceux qu'on retrouve naturellement dans l'eau qui alimente le système

d'irrigation. Les éléments qui semblent s'accumuler selon la littérature sont le sodium, le

chlore et les sulfates (Baas et Berg, 1999; Heinen et Willengen, 1999; Le Quillec, 2002).

Une accumulation de sodium et de chlore peut entraîner une inhibition de la

croissance des plants en raison de leurs effets toxiques, de leur effet osmotique (salinité

trop élevée) et/ou de leur impact sur d'autres minéraux (Greenway et Munns, 1980). Une

haute concentration de NaCl dans la solution peut inhiber l'action de la nitrate réductase

(Chrétien et coll., 2000) ce qui diminue la prise d'azote par les plants.

Un accroissement des sulfates jusqu'à 1 000 ppm dans la solution nutritive n'aura

pas d'effet toxique chez la tomate, mais ceci pourrait entraîner une baisse des rendements et

de la qualité des fruits (Lopez, 1998). Cette baisse de rendement est probablement due aux

interactions du soufre avec d'autres éléments tels que le Mo, le Ca, Na et le P. La

concentration en Na augmente puisqu'il est souvent un ion accompagnateur des sulfates

(Ehlig et Bernstein, 1958). Un excès de sulfates diminue la disponibilité du Mo (Singh et

Kumar, 1979). Les sulfates forment un précipité avec le calcium (CaSO4) ce qui peut

réduire son absorption au niveau racinaire et augmenter l'incidence de la pourriture apicale.

20

Concernant le phosphore, l'interaction provient du fait que les deux cations utilisent le

même système de transport, soit le transport actif (Lopez, 1998). La plupart des études

faites à ce sujet montrent qu'il existe une relation antagoniste entre le P et le S (Lopez,

1998). Par contre l'étude de Mnkeni et Mackenzie (1981) n'a décelé aucune relation entre

le P et le S.

Pour atteindre l'équilibre des solutions nutritives, des études ont été entamées pour

évaluer le potentiel et la précision d'électrodes à ions spécifiques calibrées pour mesurer en

temps réel la teneur de chaque ion dans la solution nutritive. Cette technologie à haut

potentiel n'est toutefois pas encore tout à fait au point pour tous les éléments, ni utilisée par

l'industrie serricole (Le Quillec, 2002). Il est nécessaire d'utiliser les techniques habituelles

de mesure de la CE et les analyses chimiques à intervalles réguliers.

21

1.5 Volet microbiologique de la recirculation

La désinfection est une des étapes critiques du recyclage des solutions nutritives. En

effet, si un plant est porteur de maladies transmissibles par la solution nutritive et que la

désinfection est inadéquate, cela pourrait entraîner une contamination de tous les plants

recevant cette solution nutritive. De façon globale, les dégâts causés par un pathogène sont

dépendants de l'état de stress du plant, donc une régie adéquate est le premier objectif à

atteindre pour obtenir un contrôle sanitaire satisfaisant. Les pathogènes racinaires qui se

déplacent facilement dans la solution nutritive, sont potentiellement à risque.

Les maladies fongiques des racines peuvent ainsi être très problématiques en

système fermé. Ceci vient du fait que les racines sont souvent mouillées par le grand

nombre d'irrigations journalières. Pythium spp. et Fusarium spp. sont les principaux agents

pathogènes pouvant se propager via le système d'irrigation si le système de désinfection

n'est pas complètement efficace.

Les Pythiacées sont des agents pathogènes majeurs dans le développement de

nécroses racinaires. Ils se développent surtout lors de conditions chaudes et ensoleillées.

Pythium spp. est réprimé à plus de 99 % par les différents systèmes de désinfection (Le

Quillec, 2002).

Dans le cas du Fusarium, la souche pouvant causer des problèmes est le Fusarium

oxysporum f. sp. lycopersici qui est responsable de la fusariose vasculaire de la tomate.

Fusarium oxysporum a été réprimé à plus de 99 % par les différents systèmes de

désinfection sauf avec la pasteurisation où la répression n'a été que de 95 % (Le Quillec et

coll., 2002). Dans une étude de Postma et Rattink (1996), on a utilisé une souche non

virulente de Fusarium oxysporum dans la solution nutritive après la désinfection de celle-ci.

Le taux de suppression de la maladie a été de 90 %.

22

En ce qui a trait aux bactéries, le risque de propagation provient de la capacité de la

bactérie à survivre et à se reproduire dans la solution de drainage. La quasi-totalité des

bactéries devraient être détruites par la désinfection. Cependant le problème pourrait venir

du fait que la solution nutritive désinfectée est entreposée pendant une période de temps

(jusqu'à 18 à 24 h) et que les bactéries se reproduisent très rapidement. Donc, si des

bactéries phytopathogènes n'étaient pas détruites par la désinfection, elles pourraient se

multiplier dans les réservoirs d'entreposage et potentiellement infecter la culture. La

principale bactérie susceptible de causer des dégâts dans une culture de tomate avec

recyclage des solutions nutritives est le Clavibacter michiganensis qui est l'agent du

chancre bactérien. L'ozone a diminué les populations de Clavibacter michiganensis de 3,5

à 4 unités logarithmiques (Langlais et Reckhow, 2000). L'efficacité des différents systèmes

de désinfection sur les virus est encore très peu évaluée en raison de la difficulté à détecter

les virus dans la solution nutritive.

1.6 Objectifs de recherche

1.6.1 Objectif général

Déterminer la performance d'un système de désinfection de la solution nutritive à

l'ozone pour une culture de tomate de serre.

1.6.2 Objectifs spécifiques

1. Mesurer l'efficacité de désinfection de la solution nutritive par l'ozonisation.

2. Mesurer les effets de la recirculation de la solution nutritive sur la croissance et le

développement, la qualité des fruits et le rendement d'une culture de tomate de

serre.

3. Mesurer les effets de la recirculation sur la composition minérale de la solution

nutritive.

1.7 Hypothèses de recherche

1. Le système de désinfection à l'ozone élimine les risques de propagation des

maladies racinaires en détruisant les différents agents infectieux fongiques et

bactériens.

2. Les variations de la composition minérale engendrées par la recirculation de la

solution nutritive n'affectent pas négativement la croissance et le développement, le

rendement ainsi que la qualité des fruits d'une culture de tomate en serre.

24

Chapitre 2

r

Etude de la performance d'un système de désinfection de la solution

nutritive par ozonisation sur les aspects microbiologiques et agronomiques

d'une culture de tomate de serre.

Résumé

Afin de pallier à la problématique du rejet des solutions nutritives d'une culture de

tomate, une expérience a été menée dans un complexe de serres de Savoura à Danville,

Québec, Canada (45°N, 72°O). Un système d'ozonisation a été utilisé pour la désinfection

des solutions nutritives. Les doses d'ozone de 3,5, 5,3 et 14,1 ppm furent évaluées et la

désinfection la plus efficace a été obtenue à 5,3 ppm avec une élimination de 52 % des

populations bactériennes. Par contre, les résultats ont été inconstants; la dose de 14,1 ppm

n'a eu aucun effet de désinfection de la solution nutritive. Ces résultats pourraient provenir

d'un contact insuffisant des molécules d'ozone avec les microorganismes. Cependant,

l'ozonisation a procuré des résultats nettement supérieurs en combinaison avec le peroxyde

et/ou le chlore. Le chlore a montré les meilleurs résultats avec une élimination de plus de

92 % de bactéries tandis que le peroxyde a amélioré la désinfection d'environ 30 à 40 %.

La meilleure désinfection a été obtenue par l'injection d'ozone (9 ppm) et de chlore (8

ppm). La désinfection a été quasi parfaite (plus de 99 % pour les bactéries et 100 % pour

les champignons) avec ces doses pour une culture complète. La croissance, la qualité et le

rendement d'une culture de tomate n'ont pas été affectés par la désinfection et le recyclage

des solutions nutritives en raison d'un rééquilibrage adéquat des solutions nutritives.

25

2.1 Introduction

Une des principales problématiques rencontrées dans la culture de la tomate de serre

est le rejet d'engrais et le gaspillage d'eau via le lessivage Les surplus de solutions

nutritives (qui peuvent aller jusqu'à 50 000 1/ha/jour) sont la plupart du temps rejetés dans

l'environnement à même l'égout pluvial. D'après une étude de Tuzel et coll. (2001), la

consommation d'éléments nutritifs a diminué de 32-34 % en système fermé

comparativement au système ouvert. D'après cette même étude, la recirculation de la

solution nutritive représentait des économies en eau de l'ordre de 30 %.

C'est en raison de la problématique du rejet d'engrais dans l'environnement que le

concept de la recirculation de la solution nutritive est né. La législation de certains pays

d'Europe oblige les serriculteurs à limiter leurs rejets dans l'environnement. Déjà plusieurs

producteurs européens ont établi leur production en système fermé. Au Canada, la

législation n'est pas encore faite dans ce sens, mais elle ne saurait tarder.

La pasteurisation, l'irradiation aux ultra-violets et l'ozonisation s'avèrent les

principales techniques de désinfection (Runia, 1995). L'ozonisation est celle avec les coûts

de fonctionnement les plus bas (Le Quillec, 2002). L'ajout de chlore et de peroxyde

constitue des avenues intéressantes en raison de leur action rémanente et leurs faibles coûts

d'installation et de fonctionnement, mais leur utilisation a été peu étudiée en raison des

risques de phytotoxicité s'y rattachant (Le Quillec, 2002; Coosemans, 1995). L'ozonisation

ainsi que l'ajout de peroxyde et/ou chlore comme méthodes de désinfection des solutions

nutritives font l'objet de la présente étude.

L'ozone est artificiellement produit par l'action de décharges électriques à haute

tension dans l'air. La réaction de la synthèse de l'ozone est la suivante :

3 O2 + énergie <=>2O3

26

Le chlore est un oxydant très actif ; il se combine directement avec presque tous les

éléments. Le chlore attaque tous les éléments, sauf les gaz rares de l'air, l'oxygène, l'azote et

le carbone; il se forme alors tous les chlorures correspondants. L'action désinfectante du

chlore peut se faire par :

- Le chlore libre se définit comme la concentration de chlore résiduel dans l'eau

présent sous la forme de gaz dissous (CI2), d'acide hypochloreux (HOC1) et d'ion

hypochlorite (OCT) et leur proportion est fonction du pH et de la température

(www.edstrom.com).

- Le chlore combiné se définit comme le chlore résiduel présent dans l'eau en

combinaison avec l'ammonium ou des aminés organiques (NH2CI, NHCI2 et NCI3).

- Le chlore total correspond à la somme du chlore libre et combiné.

L'objectif de cette recherche était de déterminer la performance d'un système de

désinfection de la solution nutritive à l'ozone pour une culture de tomate de serre. De plus,

les effets de la recirculation de la solution nutritive sur la croissance et le développement, la

qualité des fruits et le rendement ont été déterminés.

27

2.2 Méthodologie

Protocole et dispositifs expérimentaux

Cette expérience s'est déroulée dans le complexe de serres de Savoura à Danville,

Québec, Canada (45°N, 72°O). La superficie de ce complexe de serres était de 27 000 m2.

Il est recouvert d'un double film de polyéthylène de type De Klerk traité contre la

condensation. Le film extérieur était le Klerk K-50 et le film intérieur est le Klerk-IR. On

retrouvait sur place un système d'éclairage artificiel fourni par des lampes de haute

pression au sodium (HPS) qui produisent 24 W/m2(PAR). La photopériode était allongée à

16 heures en hiver. L'enrichissement en CO2 de l'air était pratiqué avec du CO2 liquide et

la teneur visée variait de 400 ppm à 1300 ppm en fonction de la ventilation. Un système de

chauffage central à l'eau chaude produisait la chaleur par la combustion d'huile usée. La

ventilation se faisait majoritairement de façon naturelle avec des ouvrants aux gouttières.

La ventilation naturelle était complétée par une ventilation mécanique avec des extracteurs

d'air. Les plants étaient installés sur des gouttières suspendues à 90 cm du sol et ce

complexe possédait deux systèmes d'irrigation indépendants, donc un pour chaque coté du

complexe.

La température moyenne recherchée durant 24 h était de 17 °C par temps sombre et

de 18-18,5 °C par temps ensoleillé. L'humidité relative était mesurée à l'aide de

psychromètres et les niveaux recherchés étaient de 70 à 80 %. Le climat était contrôlé à

l'aide d'un ordinateur Priva modèle Integro.

Les plants utilisés dans cette expérience étaient du cultivar Trust sur le porte-greffe

Beaufort. Les pains de laine de roche utilisés étaient de Grodan de type master de 50 X 20

X 10 cm. La densité de plantation de la culture est de 2,4 plants/m2. La fertilisation des

plants suivait les recommandations du CRAAQ (Dorais, 2001) et l'irrigation celle du

fournisseur Grodan (www.grodan.com). Le pH était d'environ 5,7 et la CE de 3,5. La

fréquence des irrigations était en fonction de la lumière disponible à la culture. La

consommation recherchée était de 1 ml d'eau/joule de luminosité/cm2.

28

L'ozonisateur est fabriqué par 1GT Limited et le modèle de l'appareil était

OZOMAX OZO 6VTT Ozone System (www.ozomax.com). Sa capacité de désinfection

était de 160 l\minute et la quantité d'ozone qu'il peut produire par heure était de 48 à 60 g.

Le réservoir où se situait l'injection d'ozone pouvait contenir 2 082 litres (550 Gallons US).

Le schéma du système de traitement (désinfection) est présenté à l'annexe 1.

La première culture a permis de mettre en place et de valider l'efficacité de

désinfection du système. Elle s'est déroulée du 11 février au 25 août 2004. La deuxième

culture a permis de vérifier l'impact de la recirculation sur une culture de tomate de serre

tout en surveillant la continuité de l'efficacité de désinfection. Elle s'est déroulée du 28

juillet 2004 au 3 février 2005 et la période de récolte a été du 4 octobre 2004 au 3 février

2005.

Deux traitements ont été définis dans cette expérience pour le volet

microbiologique, soit une culture (unité expérimentale) avec une solution nutritive recyclée

et une culture avec une solution nutritive non-recyclée. Pour le volet agronomique, trois

répétitions ont été effectuées dans trois chapelles différentes (unité expérimentale) de 337

m2 pour chacun des deux traitements. L'analyse statistique au niveau de l'efficacité de la

désinfection et de l'impact de la recirculation sur une culture de tomate de serre a été

effectuée avec un LSD protégé avec un P de 0,05.

Analyses microbiologiques

Les échantillons de solution nutritive avant la désinfection étaient prélevés dans les

réservoirs non-traités. Les échantillons après désinfection étaient prélevés dans les

réservoirs traités. Cinq analyses ont été effectuées lors de la première culture et deux se

sont déroulées lors de la deuxième culture. Les informations (traitements, nombre

d'échantillons, laboratoires, etc.) des différentes analyses microbiologiques sont présentées

dans le tableau 2. Les analyses microbiologiques ont été effectuées par les laboratoires

suivants :

29

1. Le laboratoire Relab den Haan (Pays-Bas) faisait la détection de 37 différents

champignons. Leur méthode consistait à analyser 500 ml de solution nutritive par détection

de l'ADN des pathogènes. Un seul échantillon par traitement était envoyé à ce laboratoire,

mais cet échantillon était composé de trois sous-échantillons prélevés sur trois jours

consécutifs. La méthode utilisée est appelée la «reverse dotblot method». La fluorescence

est utilisée pour exprimer la quantité d'ADN détectée. Les résultats sont exprimés en

fonction de l'intensité de cette fluorescence et cette intensité est notée de 0 à 5

(http://www.denhaan.nl/uk.htm).

2. La méthode du Laboratoire de diagnostic en phytoprotection du Québec

(http://wvv7w.phvtoprotection.or£>/) consistait à étaler, à raison de 100 (al, la solution

nutritive sur trois milieux de culture soit 1) Synthetic Nutrient Agar (SNA) qui contenait

des antibiotiques (tétracycline et streptomycine) qui isolent les deutéromycètes, 2) P5ARP

(milieu sélectif pour les Pythium) et 3) P5ARPH (milieu sélectif pour les Phytophthora). Un

seul échantillon par traitement était envoyé à ce laboratoire. Pour chacun des trois milieux

de culture, trois pétris ont été utilisés. L'analyse statistique était faite par un LSD protégé.

3. Les analyses bactériologiques ont été faites au laboratoire de mycologie du Centre de

Recherche en Horticulture de l'Université Laval. Pour chacune des séries d'analyses, deux

échantillons par traitement étaient prélevés et trois pétris par échantillon étaient produits.

La méthode consistait à prendre 50 \û de solution nutritive et à la mettre en culture dans un

pétri qui contenait de l'AGAR (TSA) à une température de 20 à 25 °C. Un décompte total

des bactéries a été fait 48h plus tard. L'analyse statistique était faite par un LSD protégé.

Mesures agronomiques

Les mesures agronomiques se sont déroulées uniquement sur la deuxième culture.

La croissance et le développement des plants ont été mesurés de façon hebdomadaire sur 5

plants de tomate pour chacune des répétitions durant une période de 18 semaines, une

répétition étant une chapelle de 337 m2. Nous avons mesuré la croissance de l'apex, le

diamètre de la tige, la longueur de la 5e feuille, la hauteur de floraison, le nombre de fruits

30

formés par semaine ainsi que le nombre de fruits présents sur le plant à chacune des 18

semaines. Pour chaque paramètre, une analyse statistique par un LSD protégé a été faite. Le

rendement a été mesuré à chaque récolte (durant 18 semaines) par la pesée des fruits

récoltés dans 1 rang (84,3 m ) par répétition (environ 250 plants). La qualité des fruits a été

mesurée aux 3 semaines (pendant 18 semaines) sur 2 bacs de récolte (environ 120 tomates)

par répétition. Le calibre des fruits a été mesuré de façon hebdomadaire (durant 18

semaines) sur 2 bacs de récolte (environ 120 tomates) par répétition.

Analyses minérales

Les analyses minérales ont été faites de façon hebdomadaire par le laboratoire Agri-

Food Laboratories (Ontario, Canada) pour comparer la conduite de la solution recirculée à

celle de la solution non-recirculée sur une période de 10 semaines à fréquence d'une

analyse par semaine. Les échantillons prélevés au goutteur et au lessivage étaient composés

d'un mélange des trois répétitions pour chacun des traitements. Les échantillons au goutteur

étaient pris à même les goutteurs dans les parcelles et le lessivage provenait d'une dalle qui

récupère le lixiviat de 16 plants par parcelle. Ce laboratoire utilise la chromatographie et la

spectroscopie d'absorption ou d'émission atomique pour doser les différents minéraux

(Recommended chemical soil test procédures for the north central région, 1980). En plus du

pH et de la CE, ce laboratoire analyse les éléments suivants : NO3, NH4, K, Na, Ca, N, P,

Fe, Cu, Zn, Mn, Cl, B, Mo, Mg, SO4 et Ca2CO3 (www.agtest.com).

31

2.3 Résultats et discussion

2.3.1 Désinfection de la solution nutritive

Effet de différentes doses d'ozone

Les résultats des nombreuses expériences sur la désinfection à l'ozone de la solution

nutritive furent inconstants (tableau 3). L'ozone seul n'a pas eu une action désinfectante

complète sur les différents agents fongiques, et ce à trois doses différentes. Les populations

bactériennes étant même plus grandes après la désinfection pour la dose de 14,1 ppm. Son

efficacité a été également mitigée envers les populations fongiques, les niveaux étant

parfois même plus élevés dans la solution après ozonisation. La meilleure efficacité

obtenue dans la désinfection des populations bactériennes des solutions nutritives a été de

52 % ce qui diffère de l'efficacité rencontrée dans la littérature. En effet, une étude de Le

Quillec (2002) a mesuré une destruction de la flore bactérienne totale de 99,4 à 99,9 % avec

une dose de 10 ppm d'ozone. Une ozonisation à 20 ppm a été létale pour 99,97 % des

bactéries dans une étude menée par Runia (1994a).

En raison des résultats inconstants de l'ozone seul pour la désinfection de la solution

nutritive et des informations obtenues de la littérature existante (Ehret et coll., 2000;

Poncet et coll., 2001), l'ajout d'un autre désinfectant a été envisagé et évalué.

Effet de différentes doses d'ozone et de peroxyde

Le peroxyde a diminué le nombre de bactéries présentes dans la solution nutritive

(tableau 4). Les meilleurs résultats furent obtenus avec une concentration en peroxyde de 4

à 5 ppm. En combinaison avec l'ozone, la dose de 4 à 5 ppm de peroxyde s'est avérée la

plus efficace. La dose de peroxyde recommandée correspond à 0,15g de H^CVg d'Û3 (Le

Quillec, 2002; Ehret, 2002), donc environ 1,5 ppm de peroxyde pour 9 ppm d'ozone. La

désinfection a été bonne, mais moins élevée que celle obtenue dans une autre étude de Le

Quillec (2002). En effet, on rapporte que 99.4 % de la flore bactérienne totale était détruite

avec une dose de 10 ppm d'Û3 et 1,5 ppm d'

32

Effet de différentes doses de peroxyde et de chlore

Par la suite, l'efficacité du peroxyde et du chlore a été déterminée en condition de

production. L'ajout autant de peroxyde que de chlore a fait diminuer significativement les

populations bactériennes de la solution nutritive de 30 à 45 % pour le peroxyde et de plus

de 92 % dans le cas du chlore (tableau 5). Par contre, les meilleurs résultats ont été obtenus

avec l'ajout de chlore à 1 ou 2 ppm. Les doses de peroxyde ayant une aussi grande

efficacité (environ 400 ppm) ne peuvent être utilisées en raison de leur phytotoxicité

(Runia, 1995). En effet, les signes de phytotoxicité apparaissent à partir de 50 ppm

(Coosemans, 1995).

Comme dans le cas des populations bactériennes, les populations fongiques furent

détruites lorsque le chlore était impliqué. La combinaison du chlore et du peroxyde ajouté à

l'ozone a donné les mêmes résultats que le chlore seul, les deux ayant donné des résultats

de désinfection complète comparativement au témoin non traité (tableau 6). Suite à ces

expériences, nous avons convenu que l'ajout de chlore était la meilleure alternative pour

une désinfection adéquate.

Détermination de la dose optimale de chlore

Les doses de 1 et 2 ppm ont donné d'excellents résultats en condition de laboratoire.

Cependant, les quantités de chlore résiduel après la désinfection s'avéraient nulles. En

contexte de production, une dose plus élevée était nécessaire pour une rémanence possible

surtout en raison de l'étanchéité non parfaite des réservoirs des solutions nutritives traitées

et entreposées et de la tuyauterie du système d'irrigation qui n'est pas exempt de

contamination. De plus, les doses résiduelles de chlore à ne pas dépasser pour éviter les

effets phytotoxiques étaient loin d'être atteintes, ce qui nous donnait une marge de

manœuvre plus grande et de fait même une plus grande sécurité d'efficacité de désinfection

en augmentant les doses. La dose optimale de chlore devait être déterminée en tenant

compte de la contamination initiale de la solution à traiter. Une étude de Poncet et coll.

(2001) recommande une dose de 4 ppm pour une désinfection efficace, tandis qu'une étude

de Le Quillec (2002) recommande une dose de 8 ppm de chlore. On sait que plus la

solution à traiter est contaminée plus la dose nécessaire à l'éradication de la flore

33

bactérienne est grande. Un autre facteur à considérer dans la détermination de la dose est la

valeur maximale de chlore résiduel à ne pas dépasser. Si une eau est peu contaminée et que

la dose de chlore injectée est trop grande, il restera trop de chlore après la désinfection ce

qui peut s'avérer néfaste pour la culture (Le Quillec et coll., 2004). Le point à viser est

appelé point d'équilibre, il correspond à la quantité à laquelle le chlore ajouté ne réagira

plus avec les microorganismes (en raison de leur totale destruction) et restera sous la forme

de chlore libre dans la solution nutritive. Si on ajoute 1 ppm au-dessus de ce point, il restera

environ 1 ppm de chlore libre dans la solution.

Les résultats de désinfection à différentes doses de chlore ont tous été excellents

avec en moyenne une désinfection de plus de 99 % (tableau 7). La dose de 10 ppm a donné

les résultats les plus constants. Cependant, la quantité résiduelle de chlore après la

désinfection à 10 ppm était très près des limites à ne pas dépasser. La dose de 8 ppm a été

choisie, car elle assurait une excellente désinfection sans risque de toxicité.

Évolution des populations bactériennes et fongiques dans la 2e culture

Nous avons suivi l'efficacité de la désinfection suite à une injection de 9 ppm

d'ozone et 8 ppm de chlore durant une période de 10 semaines sur les populations

bactériennes. Les résultats présentés à la figure 2 indiquent des populations moyennes de

4252,3 bactéries par ml pour la solution nutritive lessivée non-traitée et de 18,5 bactéries

par ml pour la solution nutritive traitée et entreposée. La désinfection a atteint une efficacité

de 99,5 %, ce qui est excellent. Une étude Le Quillec (2002) a mesuré une élimination 95,4

% de la flore bactérienne totale et une élimination des Pythium à 99,9 % et de Fusarium

oxysporum à 99,6 % avec des doses de chlore de 6 à 9 ppm. Les seules valeurs indiquant

une contamination de la solution traitée sont obtenues alors que la solution traitée avait été

entreposée pour une période de 64 heures suite à un oubli du personnel. La désinfection est

efficace mais elle ne l'est pas pour une période indéterminée, la solution ne doit pas stagnée

pendant une trop longue période, sinon une recontamination est possible.

34

Nous avons également déterminé l'efficacité de désinfection au niveau fongique par

l'injection de 9 ppm d'ozone et 8 ppm de chlore à trois dates différentes. Les échantillons

non traités sont contaminés par plusieurs agents fongiques (de 6 à 20 organismes par ml) et

aucun agent fongique n'a été détecté dans les échantillons qui ont reçu une dose de 9 ppm

d'ozone et 8 ppm de chlore et ce aux trois dates d'échantillonnage (tableau 8).

2.3.2 Croissance et productivité d'une culture de tomate

Nous avons également mesuré l'influence de la recirculation des solutions nutritives

sur la croissance et le développement d'une culture de tomate. Concernant les aspects

végétatifs de la culture, la croissance hebdomadaire a été similaire avec une moyenne de

19,1 cm pour les plants recevant des solutions recirculées et 18,4 cm pour les plants qui

n'en recevaient pas. Les diamètres de tige n'ont pas été significativement différents dans les

parcelles avec recyclage (12,2 mm) et dans celles sans recyclage (12,3 mm) (tableau 9).

Dans notre expérience, la recirculation des solutions nutritives n'a pas eu d'impact négatif

sur la croissance et le développement d'une culture de tomate en serre.

Les paramètres reproductifs de la culture n'ont pas été affectés de façon

significative (tableau 9). En effet, le rendement moyen dans les parcelles en recirculation a

été de 1,25 kg/m2/semaine et de 1,23 kg/m2/semaine dans les parcelles sans recirculation.

Aucune différence significative n'a été observée au niveau du rendement ce qui est en

accord avec une étude de Tiizel et coll. (2001). En ce qui a trait à la qualité des fruits

produits, il n'y a pas eu de différence significative avec un pourcentage de numéro 1 de 89

% pour les parcelles avec recyclage des solutions nutritives et 90 % pour les parcelles non-

recirculée. Finalement, le calibre obtenu a été statistiquement semblable avec un poids

moyen de tomate de 201 (recirculé) et 206 (non-recirculé) grammes. En conclusion, le

recyclage des solutions nutritives n'a pas eu d'impact négatif sur les rendements et la

qualité des fruits d'une culture de tomate en serre.

35

2.3.3 Évolution minérale des solutions nutritives en recirculation

Nous avons également mesuré l'efficacité de la recalibration par l'analyse des

solutions nutritives sur une période de 10 semaines. La conductivité électrique s"est avérée

semblable avec une CE de 3,23 mS/cm pour la solution nutritive recyclée et 3,22 mS/cm

pour la solution non-recyclée, ce qui n'est pas significativement différent (tableau 10). Le

pH obtenu avec ou sans recyclage des solutions nutritives a été similaire : 5,94 et 5.85

respectivement (tableau 10).

En ce qui a trait aux accumulations potentielles de sodium, sulfates et chlorures

relevées dans d'autres expériences (Baas et Berg, 1999; Heinen et Willengen, 1999; Le

Quillec, 2002), aucun de ces éléments ne s'est accumulé dans les solutions nutritives

recirculées comparativement aux solutions nutritives non-recirculées (figure 3).

Cet équilibre au niveau de la conductivité électrique et du pH entre les solutions

nutritives avec ou sans recyclage et le fait qu'aucune accumulation n'ait été observée

expliquent sûrement les rendements et la qualité identiques observés dans les parcelles de

culture de tomate avec ou sans recirculation des solutions nutritives (tableau 9).

2.4 Conclusion

L'ozonisation, dans cette étude, s'est avérée que très peu efficace (tableau 2)

contrairement à d'autres études effectuées (Le Quillec, 2002 ; Runia, 1994a et Yamamoto

et coll., 1990). Cependant, l'ajout d'oxydants (peroxyde d'hydrogène et chlore) a

grandement amélioré la désinfection, et ce de manière significative, principalement avec

l'ajout de chlore où les taux de désinfection étaient toujours supérieurs à 90 %, et ce à partir

d'une concentration de 1 ppm (tableau 4). La dose de 8 ppm qui a finalement été choisie et

testée sur une culture de tomate sur une durée de trois mois, a donné d'excellents résultats.

En effet, la désinfection moyenne a été de plus de 99 % (figure 2; tableau 8), autant au

niveau des bactéries que des champignons. La différence avec le témoin non-traité a

toujours été significative. Par ailleurs, le fait de recirculer avec une désinfection avec 9 ppm

d'ozone et 8 ppm de chlore n'a pas affecté la croissance, le développement et le rendement

d'une culture de tomate ce qui est en accord avec une étude de Tiïzel et coll. (2001). Ceci

s'explique par la recalibration adéquate (tableau 10) des solutions nutritives et du fait que le

sodium, les sulfates et les chlorures ne se sont pas accumulés.

Aucun symptôme de phytotoxicité n'a été observé et en aucune fois, les

concentrations en chlore au goutteur n'ont dépassé les valeurs critiques de 0,5 ppm de

chlore libre ou 1,5 ppm de chlore total (Le Quillec et coll., 2004). Nous avons démontré

dans notre expérience que la recirculation dans une culture de tomate en serre était possible

avec une désinfection par la combinaison d'une ozonisation et d'une chloration. Nous nous

sommes assurés d'utiliser de l'eau de Javel en suivant les recommandations (Le Quillec et

coll., 2004) pour éviter la formation de chlorates de sodium, ce qui fait que nous n'avons eu

aucun problème de phytotoxicité.

37

L'impact de la chloration au niveau de la microflore racinaire pourrait être évalué.

De plus, il serait intéressant de vérifier l'impact de la recirculation avec désinfection (ozone

+ chlore) sur les niveaux de résidus de pesticides et d'exsudats racinaires.

Remerciements

Les auteurs tiennent à remercier le Ministère de l'Agriculture, des Pêcheries et de

l'Alimentation du Québec (CORPAQ) et Les Serres du St-Laurent pour leur support

financier et le personnel technique de Les Serres du St-Laurent inc. (www.savoura.com), du

Laboratoire de diagnostic en phytoprotection du Québec et du CRH à l'Université Laval.

Tableau 2 : Liste des analyses microbiologiques effectuées dans le cadre del'expérience sur la performance d'un système de désinfection de la solution nutritivepar ozonisation sur une culture de tomate de serre

Cultures*

1

1

1

1

1

2

2

1O3 (ppm)

03,55,314,1

0

14,1

9

9

0

0

9

9

9

9

0

9

0

9

'raitemenCl (ppm)

0

0

0

0

0

12

0

0

12

1202

468100

8

0

8

tsPerox (ppm)

0

01

2345

01

23450

35

0

0

5

0

5

0

0

0

0

0

UL"

X

X

X

X

X

X

X

X

X

LaboratoiresMAPAQ

X

X

X

X

X

X

Relab

X

*La première culture s'est déroulée du 11 février au 25 août 2004. La deuxième cultures'est déroulée du 28 juillet 2004 au 3 février 2005.**UL : Laboratoire de microbiologie du CRH de l'Université Laval, MAPAQ : Laboratoirede diagnostic en phytoprotection du Québec; Relab : Laboratoire Relab den Haan, Pays-Bas

39

Tableau 3 : Effet de 3 doses d'ozone sur la désinfection de la solution nutritive d'uneculture de tomateMicroorganismes

OomycètesBotrytis cinereaFusarium spp.F. OxysporumPythium spp.P. dissocutum

3,5 ppmNon-traité

3**031

31

Traité122\00

5,3 ppmNon-traité

2

0104->j

Traité

13100

14,1 ppmNon-traité Traité

2352

2A

3141

20

Bact. totales (CFU/50|jl)% de désinfection

159,5 b 109 a(31%)

192,5 b 82,5 a(52%)

224 a 244 a(-9%)

* * r> =0 = aucune détection; 1 = début de contamination; 2 = légère contamination; 3= contamination

modérée; 4 = contaminé; 5 = contamination sévère; 6 = contamination très sévère

Pour une même ligne, les données avec la même lettre ne sont pas significativement différentes à un

seuil de 5 % selon le test de LSD protégé.

40

Tableau 4 : Influence d'une ozonisation à 9 ppm suivie d'un ajout de différentesconcentrations de peroxyde en laboratoire sur le nombre de bactéries dans la solutionnutritive

Ozone

OuiOuiOuiOuiOuiOui

NonNonNonNonNonNon

Peroxyde (ppm)

012345

012345

Nbr. de colonies-/50nl)

185,940,025,028,3

6,74,0

282,6134,773,398,070,673,3

fcbbaa

cdcdd

Pour une même colonne, les données avec la même lettre ne sont pas significativement différentes à

un seuil de 5 % selon le test de LSD protégé.

41

Tableau 5 : Effet de différentes concentrations de chlore et de peroxyde sur lapopulation bactérienne d'une solution nutritive préalablement traitée par uneozonisation à 9 ppm

Traitement

Témoin

Chlore (1 ppm)

Chlore (2 ppm)

Peroxyde (3 ppm)

Peroxyde (5 ppm)

Nbr. de colonies(-/50ul)

150

1 1

4

100,8

84,8

cl

a

a

c

b

% de désinfection

92,67

97,33

32,8

43,47

Pour une même colonne, les données avec la même lettre ne sont pas significativement différentes à

un seuil de 5 % selon le test de LSD protégé.

42

Tableau 6 : Influence de l'ajout de peroxyde et/ou de chlore après un traitement àl'ozone (9 ppm) sur les populations fongiques dans la solution nutritive

Traitement

Témoin

Ozone

Peroxyde (5ppm)

Ozone

Chlore (lppm)

Ozone

Chlore (2ppm)

Ozone

i

Peroxyde (5ppm)

i -

Chlore (lppm)

Ozone

i

Peroxyde (5ppm)

Chlore (2 ppm)

Champignons

CladosporiumPénicilliumPlectosporiumA ureobasidium

Total

CladosporiumDichobotrysPénicilliumPlectosporiumMycélium indifférencié

Total

Aucune détection

Aucune détection

Aucune détection

Aucune détection

Concentration

(CFU/ml)

101020

7

47 c

44X27

25 b

0 a

0 a

0 a

0 a

% de

désinfection

-

46,81

100

100

100

100

Pour une même colonne, les données avec la même lettre ne sont pas signifïcativement différentes à

un seuil de 5 % selon le test de LSD protégé.

43

Tableau 7 : Effet de différentes doses de chlore ajoutées à l'ozonisation de 9 ppm surles populations bactériennes dans la solution nutritive

% de désinfection

Concentration de

chlore (ppm)

0

2

4

6

8

10

Nbr. de colonie (-/50ul)

210,25

0,75

1,38

0,50

0,63

0,13

b

a

a

a

a

a

99,6

99,3

99,8

99,7

99,9

Pour une même colonne, les données avec la même lettre ne sont pas significativement différentes à

un seuil de 5 % selon le test de LSD protégé.

44

5000

• Non-traitée

A Traitée entreposée

2004-11-23 2004-12-07 2004-12-21 2005-01-04

Date2005-01-18

AA A2005-02-01

Figure 2 : Évolution des populations bactériennes (CFU/ml) de la solution nutritive

traitée ou non par une injection de 9 ppm d'ozone et 8 ppm de chlore

45

Tableau 8 : Évolution des populations fongiques dans la solution nutritive recyclée

et traitée ou non avec une ozonisation à 9 ppm et une chloration à 8 ppm à trois

dates différentes

Traitement

Non-traité

27 janvier

Champignons

RhodotorulaChrysosporiumPénicilliumAcremoniumCladosporiumMycéliumindifférencié

2005

CFU/ml

43.330.010.010.06.7

3.3

3 février

Champignons

RliodolonilaAcremoniumCladosporiumFusariumPhomaMucorale

2005

CFU/m!

33.313.310.03,33.33.3

7 février

Champignons

RhodotorulaPlectosporiumCladosporiumAcremoniumFusariumPénicilliumMycéliumindifférencié

2005

CFU/ml

153.320.010.06.73.33.3

10.0

Total 103,3 b Total 66,66 b Total 206,6 b

Traité Aucune

détection

Aucune

détection 0 a

Aucune

détection 0 a

Pour une même colonne, les données avec la même lettre ne sont pas significativement différentes à

un seuil de 5 % selon le test de LSD protégé.

46

Tableau 9 : Croissance et développement mesurés de façon hebdomadaire sur uneculture de tomate avec ou sans recyclage des solutions nutritives

Paramètres

Croissance (cm)

Diamètre de tige (mm)

Rendement (kg/m2)

Classement (% de #1)

Calibre des fruits (g)

Recirculé

19,1 a

12,2 a

1,25 a

89 a

201 a

Non-recirculé

18,4 a

12,3 a

1,23 a

90 a

205 aPour une même ligne, les données avec la même lettre ne sont pas significativement différentes à un

seuil de 5 % selon le test de LSD protégé.

47

Tableau 10 : Effet de la recirculation durant une période de 10 semaines sur laconductivité électrique (CE) et le pH des solutions nutritives

Paramètres CE (mS/cm) pH

Recirculé 3.23 a 5,94 a

Non-recirculé 3,22 a 5,85 a

Pour une même colonne, les données avec la même lettre ne sont pas significativement différentes à

un seuil de 5 % selon le test de LSD protégé.

48

b)600

450

400

350

30O

250

200

1 r.o

100

50

- Solution recirculée

Solution non-recirculée

S

Date

t—Solution recirculée

• - Solution non-reciculée

Date

c)

Date

Figure 3 : Évolution des concentrations en sodium (a), en sulfates (b) et en

chlorures (c) dans les solutions nutritives sur une période de 10 semaines

49

CONCLUSION GENERALE

L'objectif principal de ce projet de recherche était de déterminer la performance

d'un système de désinfection de la solution nutritive à l'ozone dans une culture de tomate

de serre. Pour ce faire, nous avons mesuré l'efficacité de la désinfection de la solution

nutritive par l'ozonisation. Nous avons également quantifié les effets de la recirculation de

la solution nutritive sur la croissance et le développement, la qualité des fruits et le

rendement d'une culture de tomate de serre. Finalement nous avons évalué les effets de la

recirculation sur la composition minérale de la solution nutritive.

Dans le cadre de cette recherche, deux traitements étaient comparés, soit une culture

avec une solution nutritive recyclée et une culture avec une solution nutritive non-recyclée.

Pour le volet agronomique, trois répétitions ont été effectuées dans trois chapelles

différentes (unité expérimentale) de 337 m2 pour chacun des deux traitements.

La première hypothèse était qu'un système de désinfection à l'ozone éliminait les

risques de propagation des maladies racinaires en détruisant les différents agents infectieux

fongiques et bactériens. Suite aux nombreuses expériences, la réponse est négative.

L'ozone seul n'a pas réussi, contrairement à ce qu'indiquait d'autres études (Rey et coll.,

2001; Le Quillec, 2002; Runia, 1994a). Par contre, l'ajout de chlore à l'ozonisation a

permis d'assurer une bonne désinfection et ce dans tous les expériences. Il n'y avait que

très peu d'études faites sur la chloration en système fermé en raison de signes de

phytotoxicité sur les cultures de tomate. Maintenant que la cause de cette phytotoxicité est

élucidée (hypochlorite de sodium se dégradant en chlorate de sodium), l'utilisation d'eau de

Javel à des fins de désinfection des solutions nutritives est davantage envisageable en

raison de son faible coût et de sa grande efficacité.

La deuxième hypothèse stipulait que les variations de la composition minérale

engendrées par la recirculation de la solution nutritive n'affectaient pas négativement la

croissance et le développement, les rendements et la qualité des fruits d'une culture de

tomate en serre. Nos résultats (tableau 6) démontrent bien que ce fût le cas pour une

50

période de 18 semaines, puisque aucun des paramètres évalués (croissance, diamètre de la

tige, rendement, qualité et calibre des fruits) n'a été significativement différent entre la

culture avec ou sans recyclage des solutions nutritives.

Cette expérience a donc démontré qu'il était possible de recycler les solutions

nutritives sans risque de propagation des maladies avec l'injection de 9 ppm d'ozone et de

8 ppm de chlore. Également, avec un suivi rigoureux des variations minérales des solutions

nutritives et la recalibration s'y rattachant, il est possible de ne pas affecter négativement

les performances agronomiques d'une culture de tomate de serre avec la recirculation des

solutions nutritives.

Les coûts d'investissement et de fonctionnement d'un système de chloration sont

peu élevés. De plus, la chloration a pour avantage d'offrir une longue durée d'action ce qui

diminue les chances de recontamination dans les réservoirs d'entreposage et dans tout le

système d'irrigation. Par contre, la chloration a le désavantage d'éliminer de façon non

spécifique les micro-organismes, autant pathogènes que bénéfiques.

Plusieurs études sur l'efficacité de la désinfection de la solution nutritive ont été

effectuées. Cependant, on ne connaît pas encore tout l'impact au niveau de la microflore

racinaire étant donné la désinfection non sélective des différentes technologies. Les

différents systèmes de désinfection, principalement ceux avec une action rémanente

pourraient avoir des répercussions jusqu'au milieu racinaire. De plus, il serait intéressant

de vérifier l'impact de la recirculation avec désinfection (ozone + chlore) sur les niveaux de

résidus de pesticides et d'exsudats racinaires.

51

Bibliographie

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54

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Ozomax : (www.ozomax.com)

Priva :(www.priva.ca)

Relab den Haan : http://www.denhaan.nl/uk.htm

55

ANNEXE 1 : Schéma du système

Réservoirs solution

non-traités

tGouttières

t

Filtre au sable

Ozone

Eau fraîche

Réservoirs solution

traitée

Filtre à disques

I

Réservoir de

traitement

Hypochlorite

de sodium

56

Annexe 2

Evaluation of the performance of an ozonization System for the disinfection of thenutrient solution of a greenhouse tomato crop (Acta Horticulturae 2005 691 : 389-394)

M.A. Laplante*, D. Brisson*, C. Boivin**, D. Doiron**, L. Gaudreau**, M. Dorais***, M.Lacroix****, C. Martinez*, R. Tweddell* and A. Gosselin*

*Centre de recherche en horticulture, pavillon Envirotron. université Laval, Québec,Canada, G1K7P4** Les Serres du St-Laurent inc, 700 rue Thibodeau, Portneuf, Québec, Canada GOA 2Y0*** Agriculture and Agrifood Canada, pavillon Envirotron, université Laval, Québec,Canada G1K7P4**** Laboratoire de diagnostic en phytoprotection, MAPAQ, 2700 rue Einstein, Ste-Foy,Québec, Canada G1P 3W8

Corresponding author : andre.gosselin@crh.ulaval.ca, tel : 1-418-656-2131 ext 2068, fax :1-418-656-7871

Keywords: nutrient solution, Lycopersicon esculentum Mill. Cv Trust, disinfection, ozone,root diseases, recirculation

Abstract

An ozonization System (Ozomax OZO 6VTT, IGT limited, Ontario, Canada) wasinstalled in a commercial plastic-covered greenhouse in Danville, Québec, Canada(www.savoura.com) to study the effects of the disinfection and recirculation of thenutrient solution in a tomato crop. The ozonization system was compared to aconventional growing system where the nutrient solution was not treated, neitherrecirculated. Samples of both treated and non-treated nutrient solutions wereanalysed for the présence of 38 potential pathogens using DNA Multiscan Technology.Detailed measurements of the présence of Pythium spp. and Fusarium spp. in thenutrient solutions, the growing média and the root System were achieved at variousperiods. We also determined the évolution of bacteria in the treated and non-treatednutrient solutions. A weekly complète minerai analysis, including pH and EC of bothtreated and non-treated nutrient solutions was done. For both treatments, plantgrowth and development were measured on a weekly basis while fruit yield andquality were determined for every harvest.

1. Introduction

Protection of the underground water and of the environment requires that nutrientsolutions used for greenhouse tomato production are recuperated and recirculated. VariousSystems using heat or UV radiation are commonly employed mainly in northem Europe totreat nutrient solutions (Runia, 1994, 2001). Thèse Systems were shown to be very efficientto eliminate pathogens in the nutrient solutions, but relatively expensive to operate (0.15-0.25 Can$/m3) (Le Quillec, 2002). Other Systems, using strong oxidants such as ozone,peroxide or chloride to destroy pathogens were experimented (Rey, 2001; Poncet et al,2001; Runia, 1994, Vanacher, 1988). The addition of chloride to the nutrient solutionscaused symptoms of phytotoxicity to tomato plants when concentration exceeded 2-4 ppm(Le Quillec, 2002). A French company (Trailigaz, Garges-lès-Gonesse) developed anozonization system to disinfect nutrient solutions using ozone and peroxide. In Canada,IGT Ltd developed and commercialized an ozonization system coupled with a bubblingsystem to increase oxygen concentration in the nutrient solution and potentially improve itsefficiency. This project aims at measuring the efficiency and the agronomie performance ofthe latter system.

2. Materials and methods

The experiment was conducted in a 27 000 m2 double polyethylene greenhouse equippedwith a HPS supplemental lighting System supplying 120 |i,mol.m"2.s"'. Tomato plants CvTrust were grown at a plant density of 2,4 plants/m2 in rockwool slabs (Grodan mastertype) placed on gutters located lm. high. Standard cultural practices were used fornutrition, irrigation and plant training. Biological control of insects was primarily achievedby introducing predators such as Eretmocerus spp. and Dicyphus spp. Before being reused,the nutrient solution from 50% of the growing area was recuperated and treated with theozonization system (Ozomax OZO 6VTT, IGT limited, Ontario, Canada) initially able toproduce 40 g and later upgraded to produce 60 g of O3 per hour. The rate of nutrientsolution treated was adjusted between 3 to 10 m3 per hour. It was consequently possible tocompare the effects of 3.0 , 5.3 , 7.7 and 14.1 g of ozone per m3of nutrient solution. Thecapacity of the ozonization system related to each treatment rate is described in Table 1.The nutrient solution of the other half of the growing area was neither recuperated, norrecirculated. In each section of the greenhouse, three bays of 337 m2 were selected tomeasure growth, development, yields and fruit quality (Dorais, 2001). Samples of thenutrient solutions were taken before and after ozonization and analysed for their mineraicontents.

Four additional experiments were conducted. First, we treated nutrient solutions for 30,60, 90 or 120 minutes with ozone. Second, we sampled treated and non-treated nutrientsolutions with ozone at 14.1 ppm and we later treated both of them with 0, 1, 2, 3, 4 or 5ppm of peroxide. Thirdly, recirculated nutrient solutions were treated with both ozone (7.7and 14.1 ppm) and peroxide at 5 ppm. Finally, nutrient solutions were treated with ozone at7,7 ppm, peroxide at 5 ppm and chloride at 1, 2 or 5 ppm. For ail four experiments, wecounted bacteria on pétri dishes as described further.

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Microbial analysis were achieved by Relab den Haan in The Netherlands, the Laboratoirede diagnostic en phytoprotection of MAPAQ and by the Centre de recherche en horticulture(CRH) at université Laval. Relab den Haan uses DNA technology to detect for the présenceof 38 pathogens in the nutrient solutions. Nutrients solutions and root samples wereanalysed for the présence of fungi by the Laboratoire de diagnostic en phytoprotection ofMAPAQ. Root segments or 100 \iL of nutrient solutions were spread on three différentmédia: Synthetic nutrient agar with antibiotics, P5ARP spécifie for Pythium and P5ARPHspécifie for Phytophthora. Bacterial counts were made at Université Laval using 50 \xh ofnutrient solution spread in pétri dishes containing a tryptic soy agar. Nutrient solutionswere sampled before the ozonization treatment, immediately after and 18 hours after in thestorage réservoir.

3. Results and discussion

Data measured by Relab Den Haan from DNA analysis (Table 2) indicate that thetreatment of ozonization did not eliminate ail pathogens from the nutrient solutions, even atthe highest concentrations. However, ozonization reduced the level of infection in thenutrient solutions for many pathogens, especially Pythium spp., Pythium dissocutum andFusarium oxysporum. In some cases, the level of infection was not reduced at ail and in afew cases, it was even increased for unknown reasons. An experiment will be conductedshortly to verify if the sand filter located before the ozonization system was the source ofsporadic contamination.

Table 1. Ozone concentration in the nutrient solutions according to différent productioncapacity and treatment rates

Ozone production*(gO3/hr)

32-4040-6040-6040-60

Treatment rate( m3 of water/hr)

or ppm)9.19.16.23.4

Estimated ozoneconcentration

(g O3/m3)

3.55.37.714.1

Duration of O3 injection*(min / m3 of water)

771018

* According to the manufacturer, the system produces 8-10 g of ozone per corona lamp. Weassumed 8 g of ozone in our experiments * O3 half-life is estimated to 30 minutes. After injection,O3 continues to react until its breakdown.

Analysis of fungi (data not presented) in the nutrient solutions and in roots by theLaboratoire de diagnostic en phytoprotection of MAPAQ indicated the présence ofPlectosporium spp., Fusarium oxysporum, and Cladosporium spp. in similar amounts inboth the treated and non-treated nutrient solutions. Fungi were also found in root segments.

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Table 2. Influence of ozonization treatments on the détection of various fungi

Fungi

3.5 ppm* 5.3 ppm 14.1 ppm

Non-Treated Treated Non-Treated Treated Non-Treated Treated

Oomycetes

Botrylis cinerea

Fusarium spp.

F. oxysporum

Pythium spp.

P. dissocutum

3**

0

3

1

3

1

1

2

2

1

0

0 0

• *Calculated concentrations of ozone according to the power of the generator and therates of the nutrient solution

• ** 0 = not infected; 1 = starting infection; 2 = light infection; 3 = moderateinfection; 4 = infected; 5 = severely infected; 6 = very severely infected

The increase in the duration of ozonization from 30 to 120 minutes improved theefficiency of the disinfection treatment by reducing the number of bacteria présent in thenutrient solutions (Table 3). Thèse results may be explained by either a longer period oftreatment and/or an increase in the oxydo-reduction potential caused by higherconcentration of ozone in the nutrient solutions.

Table 3: Influence of the duration of ozonization of the nutrient solution on the number ofbacteria in pétri dishes

Duration ofozonization (min)

Non-treated306090120

Total O3 injected( g O3/m3)

11.523.134.646.2

ORP* (mV)

494615740819

Number of bacteria(CFU/ml)

4906187804020

Oxydo-reduction potential measured in the nutrient solutions in millivolts

60

Data presented in table 4 clearly indicate the effectiveness of peroxide to reduce thenumber of bacteria in the nutrient solutions. The best results were obtained at the highestperoxide concentrations (4-5 ppm). Peroxide appears to be more efficient when added afterthe ozonization treatments (Table 5) when we sampled the treated nutrient solutions in thestorage tank. We however measured an increase in the bacterial counts 18H00 after storage.Our data support the strategy of Trailigaz to combine ozone and peroxide to disinfectnutrient solutions. Our results also lead to an experiment on the addition of chloride for abetter disinfection.Table 4: Influence of ozonization and peroxide concentration in the nutrient solutions onthe number of bacteria in pétri dishes

Number of bacteria (CFU/ml)Peroxide concentration (ppm) Treated* Non-treated

0 3706 56531 800 26932 500 14673 566 19604 133 14135 80 1466

* Ozonization occurred at an estimated concentration of 14.1 ppm for a period of 18min/m3.

Table 5: Influence of ozonization followed by peroxide treatment (5 ppm) of the nutrientsolutions on the number of bacteria and fungi (CFU/ml) in pétri dishes

Ozonization (ppm)Sampling sites* 7.7* 14.1

Bacteria Fungi Bacteria FungiIn the ozonization réservoir 1866 19 826 27At the exit of the ozonization réservoir 113 13 266 13Immediately in the storage tank 26 16 13 30After 18H00 in the storage tank 260 24 N/A N\A

* Counts of bacteria and fungi for the non-treated (no O3, no peroxide) nutrient solutionwere 6296 and 56, respectively.

Data presented in table 6 indicate that the addition of chloride in the nutrient solutionsfollowing disinfestation with ozone and peroxide was very effective not only at lowconcentrations (1-2 ppm), but also after a period of storage. The highest chlorideconcentration (5 ppm) cannot be recommended as it was shown to be toxic to variouscrops. This strategy seems to improve greatly the effects of ozone and peroxide, but alsoappears to offer an interesting alternative to inhibit bacterial development in the storagetank.

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After

973000

Timetreatment

of samplingafter

7204600

Table 6: Influence of chloride addition following ozone and peroxide treatments of thenutrient solutions on the number of bacteria (CFU/ml) in pétri dishes

Time of saChloride concentrations (ppm) After treatment after 16H00 ofstorage

0125

* Ozonization occurred at 7.7 ppm at a rate of 9,6 min/m and 5 ppm of peroxide wasadded

Ozonization did not affect the composition of the nutrient solutions as shown in table 7. Infact, EC stayed quite constant at around 4.0 mmhos/cm, while pH varied very slightlybetween 5.8 and 6.0. Major éléments such as N, P, K, Ca and Mg were very constantfollowing ozonization at either 5.3 or 14.1 ppm. Although Fe and Mn concentrations wereshown to be reduced by ozonization (Vanachter et al., 1988), our data indicate that theirconcentrations in the nutrient solutions were not affected.

Table 7. Influence of ozonization on the minerai concentration of the nutrient solutions

Eléments Non-treated Treated Non-treated Treated(7.7 ppm) ( 14.1 ppm)

EC*pHNPKCaMgSulphatesNaFeMn

4,026,123838227471151717251.680.93

4,156,026343248500150692251.881.84

3,895,82394439537492527171160.86

3,906,02414340238292536171.231.25

* EC as electric conductivity in mmhos/cmAfter 12 weeks of recirculation, ozonization did not affect growth and development (data

not presented) of tomato as measured by stem diameter, leaf length, height of the firstcluster or fruit number on the plants. Yields were neither affected by the recirculation andthe ozonization of the nutrient solutions. Leaching of the nutrient solutions averaged 36 and

38 % for the recirculated and the not-recirculated treatments, respectively. The percentageof recirculation was satisfactory, being most of the time above 80% for the first 10 weeksof the experiments.

4, Conclusion

Our data agrée with those of Runia (1994) and Rey et al. (2001) indicating thatozonization would reduce significantly the number of microorganisms in the nutrientsolutions. However, it seems that the highest concentration of ozone alone was notsufficient to completely eliminate bacteria and fungi in the nutrient solutions. The additionof peroxide and/or the increase in the duration of the ozonization did improve the efficiencyof the process, without obtaining complète disinfection. Complète disinfection was onlyachieved with the combination of ozone, peroxide and chloride. Further research will studythe best combinations of ozone, peroxide and/or chloride to obtain complète and lastingdisinfection at the lowest cost.

Acknowledgments

The authors thank the Ministère de l'Agriculture, des Pêcheries et de l'Alimentation duQuébec (CORPAQ) and Savoura for their financial support as well as the technical staff atSavoura, the Laboratoire de diagnostic en phytoprotection of Agriculture Québec and theCRH at Université Laval.

Literature cited

Dorais, M., Papadopoulos, A.P. and A. Gosselin. 2001. Greenhouse tomato fruit quality.Horticultural Review, Vol 26 : 239-319.

Le Quillec et al., S. 2002. Gestion des effluents des cultures maraîchères sur substrat.CTIFL. France.

Poncet, C. et al. 2001. Desinfection Systems of recycled effluents in flower crops. ActaHorticulturae Vol 554: 349-354.

Rey, P. et al. 2001. Evolution of pythium spp. population in soilless cultivation and theircontrol by active disinfecting methods. Acta Horticulturae Vol 554: 341-348.

Runia, W.T. 1994, Desinfection of recirculation water from closed cultivation Systems withozone, Acta Horticulturae Vol 382: 221-229

Runia, W.T. 2001. Desinfection of recirculation water from closed cultivation Systems byheat treatments. Acta Horticulturae Vol 548: 215-222.

Vanacher, L.T., E.V. Wanbeke and C. Van Assche. 1988. Possible use of ozone fordisinfection of plant nutrient solutions. Acta Horticulturae Vol 221: 295-302.