FabLab Kamp-Lintfort

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=====Mikroalgen: Potenzial in Wirtschaft und Umwelttechnik =====


====Einführung und Einordnung in das Projekt Cross Innovation Lab Niederrhein (XI Lab) - Algen im Gewässerschutz und in der Ressourcenrückgewinnung====

Über Recherche und Gesprächen mit Vertretern von Organisationen wie des Forschungszentrums Jülich, der technischen Hochschule Mittelhessen, des Algae technology centers Slovenia, des National laboratory for enery and environment of Portugal, einiger Landwirte und Landwirtschaftskammer Beratern oder der Lineg fanden wir einige Dinge heraus über den Nutzen von Algen, regionale Grund- und Oberflächengewässerprobleme und wie sich die zwei Themenbereiche synergetisch kombinieren lassen. Zusammenfassen lassen sich einige dieser Informationen folgendermaßen:

Mikroalgen wachsen mit Hilfe von Licht und CO2 und besitzen die Fähigkeit sich sowohl über organischen als auch anorganischem/gelöstem Dünger zu ernähren. Aus Algen können unter anderem Lebensmittel, Nahrungsergänzungsmittel, Futtermittel, Farbpigmente, Komponenten für Kosmetik oder pharmazeutische Produkte oder auch Gründünger hergestellt werden. Unterschiedliche Algen Spezies werden für diese Anwendungsgebiete eingesetzt. Je nachdem, wo der Fokus bei der Verwendung liegt, kann man in der Herstellung mit offenen oder geschlossenen Systemen arbeiten. Werden Algen beispielsweise zur Erzeugung von Nahrungsergänzungsmittel oder Pharmazeutika kultiviert, kommen aufgrund der Gewährleistung einer möglichst hohen Reinheit (d.h. möglichst nur die Ziel Spezies, keine oder wenige andere Organismen) geschlossene Kultivierungssysteme zum Einsatz. Wenn aber ihre internen biologischen Prozesse genutzt werden sollen, sie also nicht als Produkt, sondern als Dienstleister genutzt werden, müssen nicht unbedingt geschlossene, sterile System verwendet werden. Wenn die Dünger- bzw. Nährstoffrückgewinnung und dem vorangehend die Wasserreinigung das Ziel des Algeneinsatzes sind, kann ein offenes System installiert werden, das zum einen kostengünstiger und einfacher zu entwerfen ist und zum anderen leichter in Stand zu halten ist. In diesem Projekt ist es das Ziel Biomasse aus Algen zu erzeugen, die Phosphor und andere Nährstoff Überschüsse aus der ihr zugefügten Wassermenge zieht. Sekundäres Ziel ist diese Algenmasse weiter zu nutzen, beispielsweise als Gründünger. Zum Einsatz soll dafür ein Open Pond Algenreaktor, ein offener Bioreaktor, kommen.
Auf diese Weise soll der regionale Diskurs über das Potenzial von Algen vorangetrieben werden, so wie regionales Wissen über die Kultivierung und die Potenziale der ‘Wasserpflanze’ zu verbessern und somit Diskussionen, Ideen und Information über neue Möglichkeiten gezielt vorangetrieben werden.
Der Open Pond Reaktor soll als einer der Demonstratoren entwickelt werden, der seinen Ursprung im übergeordneten Projekt Cross Innovation Lab Niederrhein hat.

Der nächste Abschnitt dient der Erklärung der Zusammenhänge mit den regionalen roten Gebieten.

====Problemstellung Nitrat und Phosphorbelastung im Grund- und Oberflächengewässer====

In Gesprächen mit verschiedenen Interessenvertretern aus Landwirtschaft, Gartenbau, öffentlichem Dienst, Lehre und Forschung kamen die Themen Oberflächen- und Grundwasserverschmutzung, „rote Gebiete“(Stichwort Düngerverordnung) und Phosphorrückgewinnung mehrmals zur Sprache.
Die Nitratbelastung in einigen Gebieten am Niederrhein überschreitet den Grenzwert von 37,5mg/L und kamen dem Wert von 50mg/L Grundwasser, der als Richtwert für gesundheitlich unbedenkliches Wasser gilt, an einigen Orten sehr nah. Die Proben werden punktuell vorgenommen, deshalb wird vorsichtshalber ein Wert von 37,5mg/L als Grenzwert für die Einstufung zum roten Gebiet vorgenommen (FAQs zu Nitrat im Grund- und Trinkwasser, 2020).

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Stand 8.2.21 Kulisse Nitratbelastete Gebiete (Quelle: LANUV, Wochenblatt für Landwirtschaft und Landleben,2021, Artikel: (Schröder, 2021))

Das Thema Phosphorrückgewinnung ist mittlerweile ebenfalls ein Thema politischer Debatten und Gesetzesentwürfe geworden. So müssen Kläranlagen beispielsweise bis 2029 beziehungsweise 2032 nachweislich Phosphorrecycling betreiben. Warum das? Das Problem liegt darin, dass man von einem Schwund der Phosphorminenvorkommnisse in den nächsten 100 – 300 Jahren ausgeht, die Prognosen schwanken. Doch warum ist das jetzt schon ein Problem? Das liegt daran, dass die Vorkommnisse punktuell auf der Welt verteilt sind. In Ländern wie Deutschland, die keine eigenen Vorkommnisse haben, könnte das zu einem Problem werden. Der Preis für eine Tonne Phosphor beispielsweise hat sich 2008 versechsfacht und sich dann innerhalb eines Jahrzehnts nochmal ver-zwei-ein-halb-facht (Netz, n.d.). Zusätzlich dazu kann das Auswaschen von Phosphor aus dem Anbau
von Kulturpflanzen unter freiem Himmel eine Phosphorüberlastung von Oberflächengewässern nach sich ziehen, was wiederum zur Eutrophierung von diesen Gewässern führen kann. Das heißt es entsteht eine Algenblüte, die dadurch, dass sie nicht entfernt wird, in diesem Gewässer abstirbt und bei ihrer Zersetzung durch anaerobe Mikroorganismen einen giftigen Faulschlamm bildet.

====Warum können Mikroalgen eine Lösung darstellen?====

Ziel des XI-Lab Teams ist es einen funktionierenden Demonstrator aufzubauen. Das bedeutet in diesem Fall einen offenen Algenpool, der möglichst viel Biomasse in möglichst kurzer Zeit erzeugt. Bereits bekannt ist, dass Algen als Nahrungsmittel, Nahrungsergänzungsmittel, Futtermittel, Farbpigmente, Kosmetik- oder Arzneikomponenten genutzt werden können; hier geht ein sog. Downstreamprocessing, z.B. eine Extraktion, der Nutzung voraus. Dies sind häufig komplexe technische Vorgänge, die Arbeit von Verfahrenstechnikern/-ingenieuren voraussetzt. Doch wie steht es um ihr Potenzial, wenn es um das Thema Wasserreinigung geht? Eine wichtige Eigenschaft von Mikroalgen ist, dass sie sehr effizient darin sind Phosphor und andere Nährstoffe aufzunehmen. Eine Studie von Su et al. (2012) beschreibt eine Stickstoff- und Phosphorentfernung aus Abwasser von jeweils 91.0 ± 7.0% und 93.5 ± 2.5% aus einem. Diese Werte wurden von Algen in Kooperation in Verbindung mit Bakterien (eingebracht über Schlick) erreicht. Das Algen/Schlick Verhältnis betrug dabei 5:1. Deshalb bieten sie möglicherweise Gartenbau und Landwirtschaft die Möglichkeit ihre Abwässer vorzufiltern. Eine Algen Bakterien Koexistenz wird sich dadurch, dass im offenen Pond kultiviert wird auf natürlich Weise einstellen (Kontamination). Über Sensoren wie EC Sensoren und andere Sensoren, können der Mineralgehalt und je nach Sensor auch die spezifischen Mengen an Phosphor oder Nitrat, die sich vor und nach der Behandlung mit den Algen im Wasser befinden gemessen werden. Optimal wäre es an diese Hauptfunktion eine Nebenfunktion, wie zum Beispiel das Herstellen von Dünger oder Pflanzenwachstumsstimulanzien.
Zusätzliche Studien, die durchgeführt werden können, falls Interesse besteht, wären also beispielsweise das Potenzial der Algen als Düngermittel, oder auch ihr indirektes Potenzial als Wachstumsstimulanzien zu erforschen. In offenen Anbausystemen ist es unvermeidbar, dass neben den Mikroalgen auch andere Organismen im Wasser wachsen, darunter auch Rhizobien. Zu den Rhizobien gehören auch solche Bakterien, die in Symbiose mit Pflanzenwurzeln Luftstickstoff binden. Sie können also dazu dienen, den Mineraldüngerbedarf zu senken und den Weg in eine nachhaltigere Landwirtschaft zu ebnen (Grover et al., 2021). Allerdings können Rhizobien als sogenannte PGP (plant growth promoting bacteria) auch weitere positive Effekte auf das Pflanzenwachstum haben; dazu gehört das Verfügbarmachen von Phosphat, Siderophorenproduktion (Eisenbindende Mikroorganismen) und Phytohormonen, aber auch Schutzwirkungen auf Pflanzen wie z.B. das Triggern einer systemischen Resistenz gegen Pathogene, gewissermaßen eine Vorbereitung des Organismus, der dann schneller und widerstandsfähiger reagiert. Diese Mischung könnten also durch die Applikation der Algenlösung auf die Pflanzenerde einen noch weitaus positiveren Effekt ausüben. Hier sind noch viele interessante Fragen ungeklärt. Lässt sich dies auch mit dem Filtern von Nährstoffen aus Wasser kombinieren?

====Weiter Potenziale von Algen====

Zur Thematik Algen als Bio-Dünger gibt es erste Befunde. Ein Versuch des Forschungszentrums Jülich dokumentierte beispielsweise ein Pflanzenwachstum bei mit Algendünger behandeltem Weizen, das 81-90% des Wachstums von mit Mineraldünger behandeltem Weizen entspricht. Dies ist der Fall für in „NullErde“ wachsenden Weizen (Schreiber et al., 2018). Um preislich mit Mineraldünger mitzuhalten dürfte die Produktion von Algen jedoch nur wenige Cent/kg(DM) kosten. Das ist zurzeit jedoch nicht realisierbar (Schreiber et al., 2018). Daher muss die Produktion der Algen andere Nutzen mit sich bringen, wie zum Beispiel die Rückgewinnung von Ressourcen wie Phosphor aus Abwässern. Andere interessante mögliche Potenziale von Algen, gezüchtet in Open Pond Systemen, sind zum Beispiel das Zusammenspiel von Algen und Bakterien, die möglicherweise eine Verbesserung des Pflanzenwachstums von Nutzpflanzen nach sich ziehen.
Nicht nur die Nährstoffe und die begleitenden Bakterien sind von Interesse, sondern auch der Eintrag von Kohlenstoff in den Boden, wenn mit Algenbiomasse gedüngt wird; in ärmeren Substraten kann dies zu einer Verbesserung der Bodenbedingungen beitragen. Dies sind aber längerfristige Prozesse, deren Betrachtung über den Fokus dieser Arbeit hinausgeht (die aber beispielsweise von Interesse für die Forschung an organischen Bodenzuschlagstoffen und der Bildung von Boden aus Substraten sind); für die direkte Nutzung im Gewächshaus eher von minderer Relevanz. Dies sind Beispiele von Potenzialen, von denen wir uns versprechen, dass Wissenschaftler sie mit Hilfe unseres Prototyps untersuchen.
Beispiele von Institutionen und Firmen, die an Algen forschen oder mit Ihnen arbeiten sind das Forschungszentrum Jülich (Potenziale in der Abwasserreinigung und als Pflanzendünger, Nahrungsmittel, Futtermittel (Forschungszentrum Jülich - Alternative Biomass, 2021)), die technische Hochschule Mittelhessen (Abwasserreinigung mit Mikroalgen in Zusammenarbeit mit Kläranlagenbetreibern und Nutzungspotenziale der daraus entstehenden Algenbiomasse (Eichenauer, 2021)), die FH Bielefeld (Fassadenbegrünung, Wasserstofferzeugung (Geförderte Projekte | FH Bielefeld, 2021)) und die Firma Biorizon (Firma in Spanien mit Hauptsitz in den Niederlanden, Produktion von Mikroalgen, Cyanobakterien und Bakterien, die der Wachstumsstimulation von Kulturen basiert auf biologische Anbauweise dienen (Biorizon Biotech, 2021)). Es gibt also Adressen, die kontaktiert werden können, um Informationen auszutauschen und eventuell beratend hinzugezogen werden können.
Um die Frage zu klären, wie effektiv die Algen bei der Phytoremediation (/auch Phytosanierung) von Gewässern sind und eventuell auch andere Fragen zu klären, werden Partner aus Praxis und Wissenschaft, die den Prototypen nutzen und die Ideen aufgreifen, um diese Fragen zu beantworten.
Zweites Ziel ist dementsprechend: Das Identifizieren von Bachelorstudenten, Masterstudenten, Doktoranden und/oder externen Wissenschaftlern, die den Demonstrator (das Algenbecken) nutzen, um Forschung der Art, wie sie im vorherigen Abschnitt beschrieben ist durchzuführen.
Zusammenfassend: Ziele sind das Bauen eines funktionierenden Demonstrators und der Gewinn von Wissenschaftlern, die sich mit dem Potenzial der Alge im Pflanzenbau auseinandersetzen und dessen Aspekte weiter erforschen. Um die Diskussion auf eine fachliche Grundlage zu stellen, soll eine Informationsveranstaltung die fachlichen Informationen vermitteln. Mit dem Demonstrator als funktionierendes Vorzeigeobjekt sollen auch andere Produktionsverfahren (offenen und geschlossene Verfahren) und deren Einsatzgebiete und Potenziale diskutiert werde.

====Materialliste====

Zunächste stellten wir im Team eine Liste zusammen, die die allernötigsten Bauteile beschrieb. Im Verlauf der Arbeit kamen einige weitere Bauteile hinzu. Andere brauchten wir dafür nicht in dem AUsmaß, wie zunächst vermutet.

Grundlegend werden Wasser- und Luftpumpen für das Befüllen des Ponds und das Zirkulieren des Wassers besorgt. Elektromotoren werden benötigt für das Betreiben eines Paddle Wheels, PVC (Teich-)Folie für das Fundament der Ponds. Für den Fall, dass die Lichtintensität nicht ausreichend ist, halten wir LED Leuchten auf Lager. An Sensorik bringen wir pH-Sensoren, Trübungssensoren, Strömungssensoren, Temperatursensoren, Lufttemperatur- und Drucksensoren und Wasserstands Sensoren ein. Dazu wird ein Kontrollsystem bereitgestellt, was die Bewässerung und Düngung des Algendurchsetzten Wassers regelt und damit ein Eingreifen nur in Ausnahmesituationen nötig macht. Ebenfalls werden mehrere Magnetventile, Dünger und eine pH Regelung mitgebracht.
Die Algenspezies, die zunächst eingesetzt werden soll, nennt sich Chlorella vulgaris. Diese ist ebenfalls bereits im Vorfeld dieses Projektes verfügbar gemacht worden. Chlorella vulgaris kann Wachstumsraten von circa 0,6g(DM)/L/d erreichen (Bialon, 2017). Diese Wachstumsrate wird von einem Sättigungswert der Algenkonzentration ausgebremst (s.o.). Die Maximalkonzentration kann je nach Lichtintensität und Temperaturspanne verschieden ausfallen. Sie bewegte sich in verschiedenen Versuchen mit unterschiedlichen Parametern zwischen 0,5g und 3g(TM) (Schreiber et al., 2018). Je nach zur Verfügung stehender Beleuchtung muss bei Erreichen eines bestimmten Wertes geerntet bzw. rück verdünnt werden, damit möglichst schnell neue Algen wachsen und die Algenkultur immer ‘in der Wachstumsphase’ bleibt; dies kann zum Beispiel bedeuten, beim Erreichen von 0.5g/l TM auf 0.1g/l TM zurück zu verdünnen, dh. ⅘ der Kultur zur Ernte zu entnehmen; bei einem 100l Pond wären dies dann 80l Algenlösung mit 40g Algenbiomasse. Auf einen 3,5kg schweren Topf wurden 14g TM Algen im zuvor beschriebenen Beispiel Versuch aufgewendet (Schreiber et al., 2018); dies geschah, um eine Phosphatversorgung von 45kg/ha zu simulieren (diese wurde für die Vegetationsperiode einmalig vorgenommen). Ginge man nach diesen Zahlen, könnten mit 80l Algenlösung am Algenerntetag knapp 3 Töpfe einmal komplett mit P versorgt werden; oder aber mehr Töpfe mit einer anteilsweisen P-Düngung, sodass kontinuierlich mit der Bewässerung auch Nährstoffe übertragen werden können. Bei guten Bedingungen kann ein Algenpond im Gewächshaus vermutlich 1-2mal wöchentlich geerntet werden.

====Workflow====

Vorab ist es wichtig zu sagen, dass wir eine Art von offenem Algenbecken gebaut haben, der aber nicht den ANspruch hat der einzige zu sein, der zur Kultivierung von Algen oder zur Klärung von Wasser geeignet ist. Wir haben das Raceway-Modell gewählt, da es prinzipiell einfach zu rekonstruieren und auszustatten ist.

Für den portablen Prototyp haben wir zunächst ein Fundament gebaut mit zwei Europaletten als Basis, darauf eine Spanplatte und einem Gerüst aus Holzbalken:

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Um später eine Zirkulation im Becken erzeugen zu können, haben wir die Ecken mit angesägten Steropor Stücken ausgestattet.

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Ausgekleidet haben wir das Becken danach mit einem Fließ, dass Schäden am Steropor verhindern soll.

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Für die Auskleidung des Beckens haben wir eine PVC Teichfolie besorgt. Diese passend und adequat in das Becken einzufügen hat sich als schwieriger herausgestellt als angenommen. Daher hat einer der FabLab Ingenieure es übernommen entsprechende Einschnitte in das Folienmaterial zu machen.

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Verklebt haben wir die Ecken mit Schweißkleber, der das PVC zum schmelzen brachte und es durch seine adhäsive Eigenschaft an der gewollten Stelle wieder miteinander verband.

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Von außen haben wir den Pool mit Holz verkleidet.

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Und dieses weiß angestrichen (das Auge isst mit). In die Mitte haben wir eine Trennwand eingelassen, um den zirkulären Flow des mit Algen durchsetzten Wassers zu gewährsleisten.

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Ein Paddlewheel, dass die Algen durchmischt, eine gleichmäßige Lichtversorgung gewährleistet und Luft (mit CO2-Anteil !) in das Becken  bringt wurde in AUtodesk Fusion angefertigt und mit dem Lasercutter ausgeschnitten.

Probelauf mit Pappe:

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Plexiglass-Version:

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Per CAD-Design und 3D Druck haben wir eine Halterung für die Schauffelräder ("Paddlewheels") geschaffen. Diese ist an einen kleinen Elektromotor angeschlossen. Neben dem Wheel ist eine Box zum verschließen einer Microcontroller-Einheit und daneben eine Halterung für Sensoren, die an den Controller angeschlossen werden können.

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Die nötigen Algen wurden vom Projektmitarbeiter und Agrarwissenschaftler Lukas Kahlau gezüchtet, der ebenfalls einen ersten Protoyp für die Überwachung von Parametern in der Algenkultivierung baute (ph-Wert, Temperatur, Trübigkeit und gelöster Dünger).
Siehe:

{{youtube>AZn4tHsmpOw?medium}}

Tobias Poppe entwarf ein Parameterüberwachungsmodul mit Zugriff auf Aktorik, wie Pumpen, Schauffelrad und Wärmezufuhr.

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{{:projects:algae:algae:iota2.png?400|}}

[[https://thingsboard.topo-eng.synology.me/dashboard/dca05320-a53f-11ec-9b22-9363205662d7?publicId=7ecf84b0-493b-11ec-9eb2-a3ce95227932 | thingsboard_algenpond]]

====Transfer der Idee in die Region====

Um die Idee in die Region zu tragen, wurde am 30.11.2021 eine Online Konferenz mit der in Mikroalgenforschung erfahrenen Biologin Dr. Kuchendorf des Forschungszentrums Jülich durchgeführt. Dabei waren KMUs, Wirtschaftsvertreter und Wissenschaftler der Region, die über Einsatzmöglichkeiten  in Dränwasserreinigung und direkten wirtschaftlichen Nutzen der Algen diskutierten.

Siehe: [[https://www.agrobusiness-niederrhein.de/aktuelles/presse/Nutzungspotenzial_von_Mikroalgen_in_Gartenbau_Landwirtschaft_und_Lebensmittelindustrie | Agrobusiness Niederrhein]]

Nach der Informationsveranstaltung wurde ein kurzer Workshop durchgeführt ("Target group interview") mit folgender Vorgehensweise: Ein recherchiertes Thema das eventuell Branchenübergreifend Probleme löst wird entsprechenden Branchenvertretern ausgiebig vorgestellt und anschließend mit dem entlanghangeln an bestimmten Fragen bearbeitet. Der Moderator leitet zwischen den Fragen über und muss schnell auf gesagt reagieren und es den entsprechenden Fragen zuordnen.

Einige der Ergebnisse waren beispielsweise Folgende:

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====Präsentation des fertigen Pools und der Idee bei der Messe "Zukunftssymposium Agropole" in Venlo====

Live vorstellen konnten wir die Fertigungsmöglichkeiten des FabLabs, unser Vertical Farming Projekt und unseren Algen "Raceway Pool", sowie die Idee dahinter bei einer Messe in Venlo.

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Ahmed Abdellatif und Omed Abed stellen das Vertical Farming Projekt vor. Lukas Kahlau und Tobias Poppe stellen den Algenpool und die zugehörigen IoT Funktionen vor.



====Referenzen====

Bialon, J.J., 2017. Modelle für Die Wachstumsraten Von Chlorella Vulgaris bei UNTERSCHIEDLICHEN Photonenabsorptionsraten und Lichtspektren. Startseite. Available at: https://www.repo.uni-hannover.de/handle/123456789/8992 [Accessed September 9, 2021]. 

Biorizon Biotech. 2021. Biorizon Biotech. [online] Available at: <https://www.biorizon.es/> [Accessed 19 September 2021]. 

Eichenauer, S., 2021. Forschung. [online] Thm.de. Available at: <https://www.thm.de/bau/fachbereich/fachgebiete-h-z/siedlungswasserwirtschaft-und-anaerobe-verfahrenstechnik/siwawi-forschung#interessante-links> [Accessed 19 September 2021].
 
Fz-juelich.de. 2021. Forschungszentrum Jülich - Alternative Biomass. [online] Available at: <https://www.fz-juelich.de/ibg/ibg-2/EN/Research/ResearchGroups/alternative_biomass/AlternativeBiomass_node.html;jsessionid=64FA9A51F1FEA1DDE26CC53F77192E77> [Accessed 19 September 2021]. 

Grover, M., Bodhankar, S., Sharma, A., Sharma, P., Singh, J. and Nain, L., 2021. PGPR Mediated Alterations in Root Traits: Way Toward Sustainable Crop Production. Frontiers in Sustainable Food Systems, 4. Netz, H., n.d. Die Phosphor-Krise - NABU. [online] NABU - Naturschutzbund Deutschland e.V. Available at: <https://www.nabu.de/natur-und-landschaft/landnutzung/landwirtschaft/umweltschutz/23828.html> [Accessed 19 September 2021]. 

Schreiber, C., Schiedung, H., Harrison, L., Briese, C., Ackermann, B., Kant, J., Schrey, S., Hofmann, D., Singh, D., Ebenhöh, O., Amelung, W., Schurr, U., Mettler-Altmann, T., Huber, G., Jablonowski, N. and Nedbal, L., 2018. Evaluating potential of green alga Chlorella vulgaris to accumulate phosphorus and to fertilize nutrient-poor soil substrates for crop plants. Journal of Applied Phycology, 30(5), pp.2827-2836. Schröder, M., 2021. NRW: Rote Gebiete massiv geschrumpft. [online] Wochenblatt für LAndwirtschaft und Landleben. Available at: <https://www.wochenblatt.com/landwirtschaft/acker-pflanzenbau/nrw-rote-gebiete-massiv-geschrumpft-12476334.html> [Accessed 19 September 2021].

Planung für die Ausführung von Versuchen in Gewächshäusern:
{{ :xilab:projektskizze_algen.pdf |}}

====Förderung====

Das Projekt Cross Innovation Lab Niederrhein wird gestützt und gefördert von:

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