Get 20M+ Full-Text Papers For Less Than $1.50/day. Start a 14-Day Trial for You or Your Team.

Learn More →

Growth of Basil (Ocimum basilicum) in DRF, Raft, and Grow Pipes with Effluents of African Catfish (Clarias gariepinus) in Decoupled Aquaponics

Growth of Basil (Ocimum basilicum) in DRF, Raft, and Grow Pipes with Effluents of African Catfish... Article  Growth of Basil (Ocimum basilicum) in DRF, Raft, and Grow  Pipes with Effluents of African Catfish (Clarias gariepinus)   in Decoupled Aquaponics  1, 2  3  1  1 Johannes Pasch  *, Benny Ratajczak  , Samuel Appelbaum , Harry W. Palm  and Ulrich Knaus     Department of Aquaculture and Sea‐Ranching, Faculty of Agricultural and Environmental Science,   University of Rostock, D‐18059 Rostock, Germany; johannes.pasch@uni‐rostock.de (J.P.);   harry.palm@uni‐rostock.de (H.W.P.); ulrich.knaus@uni‐rostock.de (U.K.)    Tessiner Edelfisch GmbH, Woltow 20, 18195 Selpin, Germany; bennyratajczak@yahoo.de (B.R.)    French Associates Institute for Agriculture and Biotechnology of Drylands, Jacob Blaustein Institutes for  Desert Research, Ben‐Gurion University of the Negev, Midreshet Ben‐Gurion 8499000, Israel;  sappl@bgu.ac.il (S.A.) *  Correspondence: Johannes.pasch@uni‐rostock.de Tel.: 0049‐381‐4980‐3734 / 0049‐178‐6570697  Abstract: Basil (Ocimum basilicum) was cultivated in Rostock, Northern Germany, in a decoupled  aquaponic system with African catfish (Clarias gariepinus) under intensive rearing conditions by us‐ ing three hydroponic components, the dynamic root floating technique (DRF), the raft technique,  and grow pipes. A 25% of the recommended feed input still allowed African catfish growth and  provided adequate nitrogen and calcium levels in the process water. After 36 days, the plants were  examined with respect to 16 different growth parameters. DRF performed significantly better than  raft  and/or  grow  pipes  in  11  parameters.  Total  weight  of  basil  was  significantly  higher  in  DRF  (107.70 ± 34.03 g) compared with raft (82.02 ± 22.74 g) and grow pipes (77.86 ± 23.93 g). The econom‐ ically important leaf biomass was significantly higher in wet and dry weight under DRF cultivation  Citation: Pasch, J.; Ratajczak, B.;   Appelbaum, S.; Palm, H.W.; Knaus,  (45.36 ± 13.53 g; 4.96 ± 1.57 g) compared with raft (34.94 ± 9.44 g; 3.74 ± 1.04 g) and grow pipes (32.74  U. Growth of Basil (Ocimum   ± 9.84 g; 3.75 ± 1.22 g). Two main factors limited plant growth: an unbalanced nutrient concentration  basilicum) in DRF, Raft, and Grow  ratio and high water temperatures with an average of 28 °C (max 34.4 °C), which resulted in reduced  Pipes with Effluents of African   root activity in raft and grow pipes. DRF was able to maintain root activity through the 5 cm air  Catfish (Clarias gariepinus) in   space between the shoots and the nutrient solution and thus produced significantly more biomass.  Decoupled Aquaponics.   This suggests DRF to be used for basil aquaponics under glass house conditions with high‐temper‐ AgriEngineering 2021, 3, 6.  ature scenarios. Future studies are needed to optimize nutrient loads and examine systems with the  https://doi.org/10.3390/  plant roots exposed to air (Aeroponics).  agriengineering3010006  Keywords: basil; African catfish; dynamic root floating technique (DRF); floating raft; deep water  Received: 30 January 2021  culture; grow pipes; aquaponics; hydroponics  Accepted: 22 February 2021  Published: 26 February 2021  Publisher’s Note: MDPI stays neu‐ tral with regard to jurisdictional  1. Introduction  claims in published maps and insti‐ Aquaponics is a scientific field of increasing relevance due to the possibility of sus‐ tutional affiliations. tainable, resource‐friendly food production [1]. However, there are still many open ques‐ tions and research areas in this young discipline, such as the growth potential of different  crops in various subsystems [2]. Plant species such as basil (Ocimum basilicum) and spear‐ Copyright: © 2021 by the authors.  mint (Mentha spicata) already show a high potential for aquaponic cultivation, and these  Licensee MDPI, Basel, Switzerland.  species are economically important and should, therefore, be further investigated in aq‐ This article is an open access article  uaponics in combination with different fish species [3–5].  distributed under the terms and con‐ Especially suitable for aquaponics are plants with a high growth potential, market  ditions of the Creative Commons At‐ demand, and price, such as culinary herbs [6], while at the same time having only mod‐ tribution (CC BY) license (http://cre‐ erate space requirements. Plant production in aquaponics was dominated to 81% by basil  ativecommons.org/licenses/by/4.0/).  AgriEngineering 2021, 4, 92–109. https://doi.org/10.3390/agriengineering3010006  www.mdpi.com/journal/agriengineering  AgriEngineering 2021, 4, 6  93  (Ocimum basilicum) and has therefore been the most cultivated herb [3]. Basil develops a  distinctive and unmistakable scent via oil glands on the leaves and is considered one of  the most versatile herbs  [7]. As a medicinal herb  or  as an important ingredient in the  kitchen, basil has become, dried or fresh, a part of almost all cultures [8–10]. The demand  for basil is very high among aquaponics and hydroponics producer groups [11]. As basil  is particularly suitable for soilless cultivation, it has therefore been used in various aqua‐ ponics and hydroponics experiments [12–14]. Basil can produce 1.8 kg per m  under aq‐ uaponic production [15], whereas basil in soil cultivation can produce only 0.6 kg per m   [15]. In combination with C. gariepinus and Nile tilapia (Oreochromis niloticus), basil (O.  basilicum) showed good growth performance in an extensive coupled ebb and flood gravel  substrate system [16]. However, few studies report on basil under decoupled aquaponics  in different hydroponic subsystems or components [14].  African catfish (Clarias gariepinus Burchell, 1822) is gaining increasing scientific and  economic  importance,  and  not  only  in  Mecklenburg  Western  Pomerania,  Germany  [17,18]. This fish is suitable for aquaculture because of its high tolerance to different rear‐ ing conditions, with a low susceptibility to disease and the ability to breathe atmospheric  air with its accessory respiratory organ [19]. Furthermore, African catfish has an excellent  feed conversion rate, especially at high stocking densities [20,21]. C. gariepinus was culti‐ vated under aquaponic conditions with cucumber (Cucumis sativus) [22], water spinach  (Ipomoea aquatica) [23], lettuce (Lactuca sativa), tomatoes (Solanum lycopersicum), and basil  (Ocimum basilicum) [16], and has showed good growth performance. The use of the Afri‐ can catfish in aquaponics is possible and should be further investigated due to its con‐ sumer acceptance.  Recent aquaponics systems can use a wide range of different hydroponic subsystems  or components for domestic or commercial plant cultivation [1,2]. One of these methods  is the “floating raft technique (raft)” [24]. Here, the plants grow in grid pots on floating  material (e.g., polystyrene), with the roots permanently submerged in the process water,  also known as “deep‐water culture (DWC)”. This method was already experimentally in‐ vestigated several years ago and has been most frequently used [3,25]. For industrial or  domestic purposes, the “nutrient film technique (NFT)” is a popular option, using closed  channels or grow pipes [26] with small openings for plant cultivation. The roots are sup‐ plied with nutrients by a permanent water film and grow inside the channels. The NFT  technique is a simple and cheap farming option with relatively low water consumption  [24]. NFT is also a long‐established aquaponics system and has been used in several ex‐ periments, with varying results regarding production and harvest potential [24,27].  A  new  method  in  aquaponics  is  the  so‐called  “dynamic  root  floating  technique  (DRF)”, which is known as a suitable system for the cultivation of leafy vegetables and  sweet basil [28] under tropical Asian climatic conditions in hydroponics [29,30]. DRF sys‐ tems can increase the development of so‐called “aero roots” or “hair roots”, which de‐ velop at the root base a few centimeters above the water level and maintain permanent  contact with atmospheric oxygen. This is primarily intended to improve the plant’s oxy‐ gen supply, e.g., for nitrification to improve plant growth [31]. Nevertheless, the basal  roots are in constant contact with the nutrient water [30]. Another advantage of air roots  formed by DRF is the saving of electrical energy, which was described in raft aquaponics  systems with an active aeration of plants [32]. A study demonstrated that the DRF tech‐ nique could save up to 11.4% in electricity costs [33]. This exemplifies that DRF offers  many advantages in terms of plant growth and energy costs and should be further inves‐ tigated under aquaponics conditions.  The present study was conducted in the FishGlassHouse of the University of Rostock  in Northern Germany under decoupled aquaponics conditions without the use of addi‐ tional fertilizer at the grow‐out stage. The growth performance of basil (Ocimum basilicum)  was  compared  by  cultivation  in  three  different  hydroponic  subsystems:  dynamic  root  floating technique (DRF), “floating raft technique (raft), and grow pipes. For plant growth,    AgriEngineering 2021, 4, 6  94  aquaculture  effluents  were  used  from  intensive  C.  gariepinus  production.  Fish  perfor‐ mance and sixteen different growth parameters of basil were observed and effects of the  different hydroponic subsystems on plant growth are discussed.  2. Materials and Methods  The experiment was conducted in summer 2019, from 18 June to 23 July 2019 (36  days) in the FishGlassHouse (FGH) of the University Rostock (latitude: 54.075714, longi‐ 2 2 tude: 12.096591). The 100 m  greenhouse cabin (1_05) and the 100 m  intensive aquaculture  unit (IAU) were used. The IAU (PAL Anlagenbau GmbH, Germany) consists of nine fish  3 2 3 tanks (1 m ), a sedimentation tank (1.7 m ), a pump sump (6 m ), and a trickling filter (17  3 3 3 m ), and had a stocking density of max 200 kg/m , 117–130 fish/m . The aquaponic princi‐ ple was decoupled and used effluents from C. gariepinus production without additional  fertilizer. The  wastewater  was  pumped  at  regular  intervals  biweekly  through  transfer  tanks to the greenhouse’s hydroponic cabin.  2.1. Hydroponics Unit  The  hydroponics  cabin  contained  a  pump  sump  and  nine  individual  hydroponic  components with seven basil plants each. Within one system, the plants were spaced 30  cm apart [34,35]. The whole system contained 2450 L of process water. Every Tuesday and  Thursday, the water of the pump sump was drained and refilled with 540 L process water  from the IAU. A 780 W pump transported the water from the pump sump into the nine  experimental channels. The inflows of all hydroponic subsystems were set to 4 L/min. The  three techniques—DRF, raft, and grow pipes—were tested in triplicates and a completely  randomized block design (CRD) (Figure 1).  Figure 1. Schematic illustration of the decoupled experimental hydroponics cycle with dynamic root  floating (DRF), raft, and grow pipes hydroponic components in cabin 1_05 of the FishGlassHouse.  The nutrient‐enriched water from the aquaculture was pumped via a transfer tank into the decou‐ pled hydroponics cabin.  2.1.1. Dynamic Root Floating Technique (DRF)  For the dynamic root floating technique (DRF), glass fiber channels were used of re‐ inforced plastic with the dimensions of 280 cm × 40 cm × 45 cm. Each channel was filled  with 317 L of water, on whose surface 40 mm‐thick polystyrene rafts were placed. The  rafts had holes for grid pots of 5 cm in diameter, where the seedlings were placed. Over a  period of 14 days, a membrane pump (Aqua Medic Mistral 4000, AQUA MEDIC GmbH,  Bissendorf, Germany) transported approximately 4000 L/h air into the system water via  4/6 mm air hoses with two air stones per tank. Two weeks after the seedlings were trans‐ planted into the channels, the water level was continuously lowered by 1 cm daily until    AgriEngineering 2021, 4, 6  95  the total air space of 5 cm was reached via a variable escape pipe (Figure 2). The plants  had the same distance from the ground and the same water surface height in all three  hydroponic subsystems during the experiment.  Figure 2. Schematic illustration of the dynamic root floating system (DRF) with air space of 5 cm. I  = Inflow, O = Outflow.  2.1.2. Floating Raft Culture (Raft)  For floating raft culture (raft), glass fiber channels of reinforced plastic (280 cm × 40  cm × 45 cm) were used. Each channel was filled with 317 L of water, on the surface of  which 40 mm‐thick polystyrene rafts were placed. The rafts had holes for grid pots with  a diameter of 5 cm in which the seedlings were placed. A membrane pump (Aqua Medic  Mistral 4000, AQUA MEDIC GmbH, Bissendorf, Germany) transported approximately  4000 L/h of air through 4/6 mm air hoses, with two air stones per channel, into the system  water over the entire period.  2.1.3. Grow Pipes  The grow pipes were built of unplasticized polyvinyl chloride (PVC) sewage drain‐ age pipes [26] with the dimensions of 275 cm in length × 12 cm in diameter and a slope of  2.12%. Each tube had seven holes for the basil seedlings in the grid pots, which were fixed  to the pipe with wires to ensure the same initial plant height as in the other subsystems.  The roots were constantly covered by a water film of 4 L/min.  2.2. Fish Production and Feeding  African catfish (C. gariepinus) were produced in the intensive aquaculture unit (IAU)  of the FishGlassHouse and reared in staggered production. The nine fish tanks were di‐ vided into three weight‐size classes, with each class containing fish of the same size. At  the beginning of the experiment, size class one had the largest fish with an average weight  of  1310.1  g  (±29.0) and 117  fish/tank.  Size  class two  had an average  weight  of  623.7 g  (±14.9), with 130 fish/tank. Size class three contained the smallest fish with an average  weight of 297.1 g (±6.5), with 127 fish/tank. Fish were fed with SPECIAL PRO EF 4.5 mm  (Alltech Coppens BV, Leende, The Netherlands) with 42% crude protein, 13% crude fat,  1.5% fiber, 7.6% ash, 1.02% phosphorus, 1.9% calcium, and 0.3% sodium. The feeding of  the fish followed the protocol of PAL Anlagenbau GmbH (Abtshagen, Germany) at 25%  of the recommended feed input, resulting in minimal growth rates and stable water con‐ ditions, by automatic feeders. Feeding intervals were from 9:00 pm to 5:00 am every half  hour for two seconds.        AgriEngineering 2021, 4, 6  96  2.3. Plant Cultivation  On 3 June 2019, the watered seeds of O. basilicum were sown in seed coats, with a  mixed substrate of peat, perlite, and coconut fibers (Eazy Plug) and placed into seedling  trays. After four days, the plants germinated and were fertilized until the start of the trial  with 1 g/L Universol Orange (Everris International BV, Heerlen, The Netherlands), 6%  total nitrogen (N), 5% phosphate (P2O5), 25% potassium oxide (K2O), and 3.4% magnesium  oxide (MgO). On 18 June 2019, 63 randomly selected plants with an average height of 4  cm and 2 leaves were transplanted to the hydroponic systems by using the grid pots. From  the beginning of the experiment, the plants received only the nutrients from the process  water of the fish cycle. No additional fertilizer was added.  At the end of the experiment, the following plant parameters were examined: total  wet weight (g), total height (cm), leaf mass wet weight (g), number of leaves longer than  3 mm (no.), shoot axis wet weight (g), shoot axis height (cm), root wet weight (g), root  length (cm), and the leaf weight (g), lengths (cm), and widths (cm) of the third upper shoot  node. At the end of the experiment, the total leaf wet and dry mass (g) and the dry mass  (g) of leaves, shoots, and roots of all plants were determined by drying the samples for 72  h at 60 °C and afterwards for 2 h at 120 °C in a drying oven (UF750 plus, Memmert GmbH  & Co. KG, Schwabach, Germany). During the experiment, shoot height and number of  leaves were taken once a week. At the end of the experiment, the chlorophyll content of  the leaves of the third shoot node of each plant was examined and categorized according  to the SPAD (Soil Plant Analysis Development) index (SPAD‐502PLUS, Konica Minolta,  Inc., Marunouchi, Japan).  2.4. Physicochemical Parameters  The data of physical water parameters were collected every Monday to Friday at 1:30  pm with a HQ40d multimeter three‐fold (Hach Lange GmbH, Düsseldorf, Germany). Ox‐ ygen saturation (%), oxygen concentration (mg/L), water temperature (°C), pH value, con‐ ductivity (μS/cm), redox potential (mV), and salinity (‰) were measured. Illuminance (lx  (×10)) and photosynthetically active radiation (PPFD: photosynthetic photon flux density,  μmol/m s) were measured once a week at 1:30 pm at the same position in the center of  each subsystem. Every Tuesday and Thursday, water samples were taken from the pump  sump and analyzed with the Gallery™ Analyzer (Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA  USA) to determine the concentrations of the chemical parameters: ammonium (NH4 ), ni‐ − − 3− + + trite (NO2 ), nitrate (NO3 ), phosphate (PO4 ), potassium (K ), magnesium (Mg2 ), calcium  + + 3− (Ca2 ), iron (Fe2 ), and sulfate (SO4 ). Using the colorimetric hydrazine method (template:  © 2021 D08896_01  Thermo Fisher Scientific Inc., Waltham, MA USA), TON (total oxidized  nitrogen) as N and nitrate (calculation: TON‐nitrite) were analyzed. Using hydrazine un‐ der alkaline conditions, nitrate was reduced to nitrite. Under acidic conditions, N‐1‐naph‐ thylethylenediamine dihydrochloride and sulfanilamide were used to convert the total  nitrite ions to a pink azo dye. At 540 nm, the absorbance was determined and related to  the TON concentration by means of a calibration curve.  2.5. Mathematical and Statistical Analysis  At the beginning of the experiment on 18 June 2019, on 4 July 2019, and at the end of  the experiment on 23 July 2019, the total biomass weight and the number of fish per tank,  as well as three randomly selected animals per tank, were measured individually. Based  on this data, the feed conversion ratio (FCR, Formula (1)), the specific growth rate (SGR,  Formula (2)), the biomass increase, the condition factor (C, Formula (3)), and the percent‐ age growth (G, Formula (4)) were calculated. The following formulae were used:  𝐹𝐶𝑅 𝑓 𝑖𝑠ℎ 𝑓 𝑑𝑒𝑒 𝑡𝑦𝑞𝑢𝑎𝑛𝑡𝑖 𝑘𝑔 / 𝑤𝑒𝑖𝑔ℎ𝑡 𝑔𝑎𝑖𝑛 𝑔   (1) %/𝑑𝑎𝑦 𝑙𝑛𝑊 𝑊 / 𝑡 100  (2) with: Wt = final biomass (kg), W0 = initial biomass (kg), and t = time in days.  𝑙𝑛 𝑆𝐺𝑅 𝑘 AgriEngineering 2021, 4, 6  97  𝐶 100 / 𝐿   (3) with: W = fish weight (g), and L= fish length (cm).  𝐺 𝑡ℎ 𝑓 𝑖𝑠ℎ ℎ𝑡 𝑐𝑙𝑎𝑠𝑠 𝑥 % – 𝐼 100 / 𝐼   (4) with: Fx = final weight, fish weight class x, and Ix = initial weight, fish weight class x.  The following parameters of fish growth were statistically analyzed in triplicates by  comparison of mean values: initial and final fish length (cm), initial and final fish weight  (g), initial and final tank mass (kg), growth per tank (%), condition factor, specific growth  rate (SGR), and the feed conversion ratio (FCR).  The collected datasets were processed using Microsoft Excel  [36] and statistically  analyzed using the SPSS  23 software package [37]. If the data were normally distributed,  a one‐way  analysis  of variance (ANOVA)  was  used.  If  variance  homogeneity  was  ob‐ served, multiple mean comparisons were performed post‐hoc using the Tukey HSD (Hon‐ estly Significant Difference) test. The Dunnett T3 test was used for variance‐inhomogene‐ ous datasets. If the data were not normally distributed, the nonparametric Kruskal–Wallis  test was used. All tests were performed with a significance level of p < 0.05.  3. Results  3.1. Fish Growth  At the beginning of the experiment, the fish weight classes had an initial length of  55.76 cm (class 1, large fish), 43.39 cm (class 2, medium fish), and 35.51 cm (class 3, small  fish), and the final lengths were 56.90, 48.31, and 39.92 cm. The final length of fish weight  class 1 was significantly different (p = 0.001) to the final lengths of weight classes 2 and 3  (Table 1). Regarding the initial weights (1310.09, 623.74, and 297.13 g) and final weights of  the fish (1395.30, 702.22, and 377.81 g), all fish showed small growth rates and the weight  classes (1, 2, 3) were significantly different.  With an initial tank mass of 81.27 kg and a final tank mass of 90.45 kg, weight class 2  (medium fish) achieved the highest growth per tank with 9.18 kg. Weight class 1 (large  fish) had an increase of 8.83 kg and reached 161.66 kg (initial mass: 152.38 kg, Table 1).  Weight class 3 (small fish) had an average increase of 8.71 kg and reached 46.34 kg (initial  mass: 37.63 kg). Overall, there were no significant differences between the three weight  classes in growth per tank. In terms of percentage growth per tank, weight class 1 (5.80%)  and class 2 (11.29%) differed significantly from weight class 3 (23.19%).  Table 1. Mean (± standard deviation (SD)) of the biological growth parameters of African catfish in different weight classes  (class 1 = large fish, class 2 = medium fish, class 3 = small fish) held in the intensive aquaculture unit (IAU) during basil  cultivation (36 days) under reduced feeding (25%). Different letters show different groups (p < 0.05).  1  1  1  Parameters  Weight Class 1  Weight Class 2  Weight Class 3  P‐I  P‐II  P‐III  a,2 b c Fish initial length (cm)  55.76 ± 4.90    43.39 ± 2.99    35.51 ± 2.18    0.001  0.001  0.001  a b b Fish final length (cm)  56.90 ± 2.54    48.31 ± 2.57    39.92 ± 2.96    0.001  0.038  0.078  a b c Fish initial weight (g)  1310.09 ± 29.00    623.74 ± 14.90    297.13 ± 6.52    0.001  0.001  0.001  a b c Fish final weight (g)  1395.30 ± 15.32    702.22 ± 12.54    377.81 ± 7.73    0.001  0.001  0.001  a b c Tank initial mass (kg)  152.83 ± 2.64    81.27 ± 0.37    37.63 ± 0.87    0.001  0.001  0.001  a b c Tank final mass (kg)  161.66 ± 1.80    90.45 ± 2.55    46.34 ± 0.44    0.001  0.001  0.001  a a a Growth per tank (kg)  8.83 ± 3.48    9.18 ± 2.53    8.71 ± 0.62    0.984  0.998  0.973  b b a Growth per tank (%)  5.80 ± 2.37    11.29 ± 3.11    23.19 ± 2.10    0.087  0.003  0.001  3 a ab b Feed conversion ratio (FCR)    2.40 ± 0.85    1.43 ± 0.45    0.94 ± 0.07    0.161  0.042  0.561  3 b b a Specific growth rate (%/day)    0.16 ± 0.06    0.30 ± 0.08    0.58 ± 0.05    0.080  0.001  0.004    a a a Condition factor (C) 0.70 ± 0.09    0.69 ± 0.09    0.67 ± 0.15    0.977  0.977  0.977  1  Significances, with P‐I = between fish weight class 1 and 2, P‐II = between weight class 1 and 3, P‐III = between weight  class 2 and 3,   Means in each row followed by the same superscript letters indicate no significant differences among the  fish growth parameters. Means with different letters are statistically different, in that the mean with the lower alphabetical  3  order letter (e.g., a > c) has a mean statistically greater than the mean it is compared to,  FCR and specific growth rate  based on tank biomasses: n = 3.  𝐹 𝑖𝑔𝑤𝑒 𝐺𝑟𝑜𝑤 𝑊 AgriEngineering 2021, 4, 6  98  The feed conversion ratio achieved the best value for the small fish (0.94), thus dif‐ fering  significantly  from  large  fish  (FCR:  2.40,  Table  1).  The  medium  fish  (FCR:  1.43)  showed no statistical difference to the other groups. For the specific growth rate, the small  fish again showed the best performance with 0.58%/day and differed significantly from  the large (0.16%/day) and medium fish (0.30%/day). The condition factor was not signifi‐ cantly different between the weight classes (p = 0.977) (class 1: 0.70, class 2: 0.69, and class  3: 0.67).  3.2. Plant Growth  The plants showed a typical exponential growth over the entire experiment. During  the experiment, there were no mortality losses among the plants. In the third week, indi‐ vidual plants from the grow pipes and raft systems showed slight deficiency symptoms  and lesions or necrosis on the lower leaf pairs. Table 2 shows the growth parameters of  the three subsystems.  Table 2. Ocimum basilicum growth parameters of wet and dry weights (means ± SD) and total weight parameters (sum of  all individual plant weights) of the three experimental groups (dynamic root floating technique (DRF), floating raft culture  (raft), grow pipes) at the end of the experiment (36 days). Different letters show different groups (p < 0.05, n = 21). Last  part of the table shows total and leaf mass of Ocimum basilicum (wet and dry) produced by one system over the entire  experiment period.  1 1 1 Growth Parameters  DRF  Raft  Grow Pipes  P‐I    P‐II    P‐III     a,2  b  b Total wet weight (g)  107.70 ± 34.03   82.02 ± 22.74   77.86 ± 23.93   0.006  0.002  0.755  3  a  a  a Total height   (cm)  108.41 ± 13.45   99.66 ± 10.80   106.20 ± 18.94   0.142  0.879  0.330   a  b  b Leaf mass wet weight (g)  45.36 ± 13.53   34.94 ± 9.44   32.74 ± 9.84   0.010  0.001  0.796   a  a  a Leaves (No.)  108.05 ± 47.43   83.81 ± 19.64   89.90 ± 26.84   0.152  0.152  0.152   a  b  b Shoot axis wet weight (g)  27.33 ± 10.11   18.42 ± 6.73   20.01 ± 7.29   0.002  0.022  0.424   a  b  a Shoot axis height (cm)  54.09 ± 8.86   46.78 ± 7.22   55.75 ± 10.65   0.010  0.520  0.001   a  a b  b Root wet weight (g)  35.00 ± 12.03   28.65 ± 7.69   25.11 ± 8.40   0.178  0.005  0.629   a  a  a Root length (cm)  54.32 ± 8.53   53.60 ± 10.00   50.46 ± 11.77   0.971  0.440  0.581  4    a  a  b   Leaf wet weight   (g) 1.84 ± 0.49   1.83 ± 0.38   1.53 ± 0.28   0.995  0.039  0.049 4    a  b  b Leaf length   (cm) 14.29 ± 1.62   13.12 ± 1.72   12.77 ± 1.25   0.043  0.006  0.744  4    a  ab  b Leaf width   (cm) 9.18 ± 1.33   8.50 ± 1.08   8.31 ± 1.06   0.147  0.049  0.869  3   a  a  a Leaf SPAD‐Value 29.76 ± 2.61   29.09 ± 2.67   28.63 ± 2.23   0.659  0.316  0.826  1 1 1 Dry Weight Parameters  DRF  Raft  Grow Pipes  P‐I    P‐II    P‐III     a  b  a b Total dry weight (g)  10.38 ± 3.44   8.07 ± 1.92   8.21 ± 2.35   0.034  0.064  0.996   a  b  b Leaf dry weight (g)  4.96 ± 1.57   3.74 ± 1.04   3.75 ± 1.22   0.009  0.009  0.999   a  b  b Shoot axis dry weight (g)  3.03 ± 1.33   1.90 ± 0.69   2.04 ± 0.80   0.019  0.033  0.833   a  a  a Root dry weight (g)  2.39 ± 0.81   2.44 ± 0.41   2.43 ± 0.44   0.994  0.997  0.999  Total Weight Parameters    DRF  Raft  Grow Pipes       Total wet weight (g)  2261.68  1722.31  1635.04 ‐  ‐  ‐  Total leaf wet weight (g)  952.66  733.77  687.50 ‐  ‐  ‐  Total dry weight (g)  218.06  169.55  172.36 ‐  ‐  ‐  Total leaf dry weight (g)  104.23  78.45  78.65 ‐  ‐  ‐   Significances, with P‐I = between DRF and raft, P‐II = between DRF and grow pipes, P‐III = between raft and grow pipes,   Means in each row followed by the same superscript letters indicate no significant differences among the plant growth  parameters. Means with different letters are statistically different, in that the mean with the lower alphabetical order letter  3  (e.g., a > b) has a mean statistically greater than the mean it is compared to,  Total height (cm) = Shoot axis height (cm) +  4 5 Root length (cm),   Measured on the leaf of the third upper shoot node,   Total weight parameters calculated as the sum of  all individual plants of the respective experimental group.  The basil total wet weight of the DRF with 107.70 g was significantly higher than that  of the plants in the other two subsystems (p < 0.05, Table 2). No statistical differences were  found in plants between the raft (82.02 g) and the grow pipes (77.86 g). Total height was    AgriEngineering 2021, 4, 6  99  not significantly different between plants of the DRF (108.41 cm), grow pipes (106.20 cm),  and raft hydroponic subsystems (99.66 cm). Leaf mass wet weight was significantly dif‐ ferent between the basil of the DRF with 45.36 g, and the raft (34.94 g) and grow pipes  (32.74 g). No significant differences were found in the number of leaves (no.) between the  subsystems. The shoot axis wet weight was significantly higher in the DRF system (27.33  g) compared with raft (18.42 g) and grow pipes (20.01 g), which were not statistically dif‐ ferent (p = 0.424). In the height of the shoot axis, the plants of the raft (46.78 cm) system  were significantly shorter than in the DRF (54.09 cm) and grow pipes (55.75 cm). Plants of  the DRF developed the highest root wet weight, although only slight rudiments of so‐ called “hair roots”, and in grow pipes, a slight brown coloring was visible (Figure 3).  Figure 3. Examples of basil plants at the end of the experiment from DRF (left), raft (middle), and  grow pipes (right).  At 35.00 g, the root wet weight in the DRF was significantly higher than in grow pipes  (25.11 g), but without a statistical difference to raft (28.65 g). Although the systems showed  significant differences in the root wet weights, there were no differences in root length.  The roots of the respective plants in the three hydroponic subsystems measured, on aver‐ age, 50.46–54.32 cm. The leaf wet weight was similar for DRF (1.84 g) and raft (1.83 g) and  each was significantly higher than grow pipes (1.53 g). Significance was also found be‐ tween  the  leaf  length  in  DRF  (14.29  cm)  compared  to  raft  (13.12  cm)  and  grow  pipes  (12.77 cm). In leaf width, the DRF and raft systems performed best (9.18 and 8.50 cm), in  contrast to the grow pipes (8.32 cm). SPAD values were not significantly different among  experimental groups. Figure 4 illustrates the evolution of basil leaf development with, on  average, higher leaf number increase in plants in DRF.    AgriEngineering 2021, 4, 6  100  Figure 4. Ocimum basilicum leaf number development per week in hydroponic subsystems DRF,  raft, and grow pipes during the experiment over a period of 36 days.  The total dry weight was significantly higher in DRF and grow pipes (10.38 and 8.21  g) compared with that of the raft plants (8.07 g), which was equal to the basil of the grow  pipes (Table 2). Leaf dry weight was highest in the DRF system (4.96 g), one third higher  (each p = 0.009) than in raft (3.74 g) and grow pipes (3.75 g). Shoot axis weight was signif‐ icantly heavier in DRF plants (3.03 g) compared with raft (1.90 g) and grow pipes (2.04 g).  Root dry weight was not significantly different between the experimental groups.  Total wet weight of basil plants (sum of individual plant weights) was highest in DRF  (2261.68 g, Table 2), followed by raft (1722.31 g) and grow pipes (1635.04 g), and total dry  weight was greater in DRF (218.06 g), followed by grow pipes (172.36 g) and raft (169.55  g). Total leaf wet weight was highest in plants of the DRF (952.66 g), followed by raft  (733.77 g) and grow pipes (687.50 g), and total leaf dry weight was best in DRF (104.23 g),  followed by grow pipes (78.65 g) and raft (78.45 g).  3.3. Physicochemical Parameters  Photosynthetic photon flux density (PPFD) was highest above the grow pipes (173.10  2 2 μm/m s,  Table  3)  and  significantly  different  to  raft  (157.92 μm/m s)  and  DRF  (155.83  μm/m s). The illuminance showed no statistical differences and varied in the systems from  985.00 to 1024.00 (lx (×10)).  Table 3. Means (±SD) of photosynthetic photon flux density (PPFD), illumination intensity (lx), and  physico‐chemical water parameters of the three subsystems measured in the sump of the three hy‐ droponic subsystems during basil cultivation (36 days).  1  1  1  Light Parameters  DRF  Raft  Grow Pipes  P‐I  P‐II  P‐III  2 2 b,3 b a PPFD   (μm/m s)  155.83 ± 32.29    157.92 ± 32.14    173.10 ± 22.40    0.404  0.001  0.002  a a a Light (lx (×10))  985.00 ± 116.70    1013.00 ± 93.40    1024.00 ± 161.30   0.063  0.063  0.063   Significances, with P‐I = between DRF and raft, P‐II = between DRF and grow pipes, P‐III = be‐ 2 3 tween raft and grow pipes,   PPFD = photosynthetic photon flux density,   Means in each row fol‐ lowed by the same superscript letters indicate no significant differences among the light parame‐ ters. Means with different letters are statistically different, in that the mean with the lower alpha‐ betical order letter (e.g., a > b) has a mean statistically greater than the mean it is compared to.  In the sump, the dissolved oxygen averaged 7.8 ± 0.4 mg/L and the oxygen saturation  100.5% ± 1.1%. The averaged pH‐value of 6.5 ± 0.1 remained constant during the experi‐ mental period. Temperature was relatively high at 28.0 ± 2.4 °C, and the average conduc‐ tivity was 2155.9 ± 238.5 μs/cm, redox potential 183.3 ± 20.1 mV, and salinity 1.0 ± 0.1‰.  At the beginning of the experiment, the conductivity was above 2500 μs/cm: it in‐ creased to over 2700 μS/cm in the second week, and then slowly decreased to 1862 μS/cm    AgriEngineering 2021, 4, 6  101  (Figure 5). The initial water temperature was 31.3 °C and reached the maximum value of  34.4 °C in the first third of the experiment, and then decreased constantly to about 26 °C  until the end of the study, with a mean of 28 ± 2.4 °C (Figure 5). The room temperature  averaged 23.8 °C (min 18.2 °C, max 40.0 °C), and the average room humidity was 52.8%  (min 15.6%, max 79.7%).  Figure 5. Electrical conductivity (μs/cm) and water temperature (°C) over the experimental period.  The chemical water parameters were measured in the middle of the pump sump from  which the process water was transferred into specific hydroponic subsystems to maintain  homogeneous nutrient conditions. The mean concentration of nitrate‐nitrogen (NO₃ ‐N)  was 204.47 ± 47.98 mg/L and nitrite‐nitrogen (NO₂ ‐N) was 0.06 ± 0.08 mg/L, resulting in  a total of 204.53 ± 47.97 mg/L total oxidized nitrogen (TON) in the process water. The  ammonium nitrogen (NH4 ‐N) had an average concentration of 0.19 ± 0.12 mg/L, resulting  in an average concentration of 204.72 ± 48.02 mg/L of total dissolved nitrogen (TDN). The  3− remaining average concentrations were as follows: orthophosphate (PO₄ ‐P) 4.71 ± 2.88  mg/L, potassium (K⁺) 14.67 ± 3.20 mg/L, magnesium (Mg²⁺) 24.93 ± 3.79 mg/L, calcium  (Ca²⁺) 291.69 ± 56.66 mg/L, iron (Fe²⁺) 0.02 ± 0.01 mg/L, and sulphate (SO₄³⁻) 42.60 ± 7.13  mg/L.  4. Discussion  4.1. Fish Growth  The  growth  performance  of  C.  gariepinus  was  satisfactory  over  the  entire  experi‐ mental period, and the FCR values of 0.94, 1.43, and 2.40 (small, medium, and large fish)  were as expected, under consideration of the reduced feeding rate of 25%. Depending on  the weight of fish, stocking density, feed quantity, and feed composition, FCR values of  0.61–2.69 were recorded in previous studies, with younger fish regularly performing bet‐ ter [38–40]. A similar study achieved FCR values of 0.97, 1.23, and 2.69, where also 25% of  the recommended amount of a commercial feed was fed, and thus a large part of the feed  energy was used for basal metabolism and not for growth [40]. High feed conversion ra‐ tios of the African catfish, such as FCR 0.74, 0.84, and 0.91 [14], and 0.72, 0.87, and 0.97  [41], have been reached at 80% of the maximum recommended feed amount. However,  the 25% feeding was sufficient in this experiment to produce stable water conditions for  the aquaponics plant production and an EC (Electric Conductivity) value of over 2000  μS/cm. Feed restriction resulted in a deterioration in FCR, particularly in large fish, since  larger catfish require much more energy for their basal metabolism, in relative terms, than  small fish [16].  The same explanation can be used for the specific growth rate. At 0.58%, 0.30%, and  0.16%/day (small, medium, and large fish), the results showed the expected values based    AgriEngineering 2021, 4, 6  102  on the limited feeding rate. At 80% feeding, SGR values of 3.23%, 1.50%, and 0.90%/day  can be expected [14]. The small‐ and medium‐sized fish had, on average, five times and  the large fish three times the daily growth rate, with 80% and 25% feeding, respectively.  An SGR of 1.80%/day was recorded over a total production period of 204 days under in‐ tensive production conditions [38]. If an aquaponic farm aims to succeed economically  mainly through plant production, it is reasonable, as can be seen in the present experi‐ ment, to reduce the feed input to 25% of the recommended feed rate and still provide the  fish with sufficient feed to produces adequate EC values for the plants. However, if the  aquaponics is also designed to operate profitably in its aquaculture section, it is still ad‐ vised not to use too low feeding rates or stocking densities that prohibit adequate fish  growth.  4.2. Physio‐Chemical Parameters  The physical and chemical water parameters were sufficient for adequate growth of  O. basilicum at recommended levels of pH of 5.5–6.5 [26]. The mean photosynthetic photon  flux density (PPFD) of 162.3 ± 9.4 μmol/m s was suboptimal and 67.5% lower than the  recommended 500 μmol/m s [42] for highest edible biomass production of sweet basil.  The highest radiation measured was above the grow pipe system, with the 173.2 μmol/m s  obviously influenced by local weather variations of light incidence. However, since the  grow pipes had the lowest total fresh mass and no statistical differences were found in the  light intensity (lx), the slightly differing light parameters were not the decisive factors for  the observed growth differences of the basil plants.  The water temperature of 28 °C was higher than the recommended 20–25 °C for basil  cultivation [12,26,43]. In the first third of the experiment, the temperature increased to the  maximum value of 34.4 °C, which is significantly above the recommended maximum of  30 °C [26]. This might have negatively influenced the growth of basil in all three subsys‐ tems. However, the “dynamic root floating technique (DRF)” was developed for hydro‐ ponic cultivation under tropical conditions with very high temperatures and humidity in  Taiwan [30]. At a lower temperature of 25 °C, no significant differences were found in  vegetable fresh weight between DRF, Nutrient Film Technique (NFT), and Deep Flow  Technique (DFT); however, with an increase in water temperature to almost 35 °C, a sig‐ nificant decrease of root activity in NFT and DFT was observed, in contrast to the rela‐ tively higher fresh biomass in the DRF system [30]. In the present study, the significantly  better weight of basil in the DRF system might be explained by the high water tempera‐ tures during the summer season and the presence of the specific DRF‐aero‐space. The ox‐ ygen concentration of the nutrient solution decreases with increasing water temperatures  [44], and the respiration rate of the roots and the uptake of water and mineral nutrients  decreases [45], resulting in reduced plant growth. In the nutrient solution, oxygen stress  caused by high temperatures can produce a brown discoloration of the roots [30]. The  oxygen content in our study was generally high with a saturation level of 100.5% (7.8  mg/L), with the expectation of uniform plant growth in all subsystems. However, the color  of the roots was different with a lighter shade in DRF (Figure 3). In contrast, the coloration  inside the grow pipes was brown, and they had a lower wet weight. DRF seemed to pro‐ mote plant growth through the specific air space, as well as the increase in humidity inside  the channel to form aero roots. At the higher temperatures of the present study, the DRF  subsystem still provides enough oxygen supply, resulting in improved plant growth.  The mean conductivity level of 2155.9 ± 238.5 μS/cm was much higher than already  reported for aquaponic plant production, from 300 to 600 μS/cm [46]. Optimum EC levels  for basil cultivation in hydroponics under use of mineral fertilizer also differs, ranging  from 1000 to 1600 μS/cm [47], and 2800 to 3100 μS/cm [48]. With the same experimental  design and a lower mean EC level (1619.4 ± 205.6 μS/cm), basil shoot axis height (plant  height  above  ground  after  35  days)  was  higher  and  leaf  numbers  were  substantially  greater in growth pipes, raft, and gravel substrate ebb‐and‐flood hydro‐components [14].    AgriEngineering 2021, 4, 6  103  The lower number of leaves and lower root weights in the present study could be influ‐ enced by the type of feed (Coppens Special Pro EF) and specific nutrient/mineral compo‐ sition, as well as by the decreasing EC value, which in the previous study steadily in‐ creased when fed with an alternative feed (Skretting ME‐4.5 Meerval 44‐14 [14]).  The proportions of nitrogen corresponded to hydroponic nutrient solutions for basil  production [11], while phosphate and potassium were also lower in comparison to aqua‐ ponic nutrient solutions [49]. Hydroponics nutrient solutions usually contain six essential  nutrients, N, P, K, Ca, Mg, and S, which must be available in the correct ion ratios for  optimal plant growth [50]. In hydroponic sciences, there are several formulations of nu‐ trient solutions, which range in mg/L: N 170–235, P 30–60, K 150–300, Ca 160–185, Mg 35– 50, and S 50–335 [50]. For basil cultivation with soil, a wide range is given for N (104–200  kg/ha), P (12–100 kg/ha), and K (73–120 kg/ha); in some areas in the USA, even an NPK  ratio of 1:1:1 is given [51]. Assuming an optimum of 2800 μS/cm for hydroponic basil cul‐ tivation,  the  chemical  composition  of  this  nutrient  solution  should  be  as  follows  (rounded): nitrogen 220 mg/L, phosphorus 62 mg/L, potassium 262 mg/L, calcium 192  mg/L, magnesium 73 mg/L, sulfur 106 mg/L, and iron 1.95 mg/L [48]. The average con‐ centrations measured in the present study at a 25% feeding rate were: Total Dissolved  Nitrogen  (TDN)  204.53  mg/L,  phosphorus  4.71  mg/L,  potassium  14.67  mg/L,  calcium  291.69 mg/L, magnesium 24.93 mg/L, sulfur 14.22 mg/L, and iron 0.02 mg/L. Thus, only  nitrogen was close to the optimal range and calcium was approximately 50% higher. The  magnesium concentration was about 37%, sulfur about 16%, phosphorus and potassium  were less than 8%, and iron was only about 1% of the optimal concentration. Yellow col‐ oring of the leaves (while the leaf‐veins remained green), which is typical due to the strong  iron deficiency, and even necrosis were observed early in this experiment. The process  water produced by the fish production was sufficient for plant growth, but it can be as‐ sumed that the overall growth performance of the plants in all three subsystems was neg‐ atively affected by nutrient deficiencies [52].  4.3. Plant Growth  During the experimental period from 18 June to 23 July 2019, the plants from three  subsystems showed several differences in their growth parameters, implying that growth  and development were strongly influenced by the hydroponic components. A total of 16  growth parameters were compared. The DRF subsystem performed best in 14 of them.  Eleven of these sixteen parameters differed significantly from raft and/or grow pipes (p <  0.05).  4.3.1. Leaf Development  The leaf numbers between 83.81 and 108.05 were not significantly different between  the hydroponic subsystems (DRF = raft = grow pipes, Table 2). This is in accordance with  a former study of basil cultivation with no significant differences in the number of leaves  between grow pipes and raft hydroponics and the production of C. gariepinus under de‐ coupled aquaponic conditions [14]. In hydroponics, a seven‐week trial produced the most  leaves (119.41 leaves/plant), highest leaf fresh weight (64.09 g), and dry weight (6.03 g) at  3 − + an N:P:K ratio of 10:1:10 mol/m , with an NO3 /NH4  molar ratio of 1:0 [53]. A similar  growth performance would have been expected with a two‐week longer growth period  in this experiment. In another study with different algal extract treatments, the best treat‐ ments only produced 91.3 leaves/plant in 12 weeks [54]. These plants, grown in culture  substrates, were fertilized with Osmocote Plus (14:13:13 N, P, K +microelements) (2 g/L  substrates) and grew at a photosynthetically active radiation of 1000 μmol/m s [54]. In  contrast,  an  aquaponic  42‐day  experiment  produced  an  average  of  508.93  ±  13.27  leaves/plant, which is significantly higher than the results of the earlier studies [14]. A    AgriEngineering 2021, 4, 6  104  N:P:K ratio of 106.8:9.4:60.6 mg/L, combined with the advantages of the beneficial bacte‐ rial communities in aquaponic systems, may have led to this extraordinary growth per‐ formance [14,55].  With the same experimental design and the cultivation of spearmint (Mentha spicata),  the grow pipes and raft showed higher numbers of leaves (grow pipes: 639.7, raft: 532.2)  in contrast to the lowest leaf number in the DRF system (482.3) [41]. These contrasting  results from the present study might have been influenced by the different cultivation  temperatures: the DRF system was originally designed for tropical regions in Asia and  higher temperatures, where oxygen saturation and root activity in raft and NFT systems  decrease [30]. The water temperature of the experiment with M. spicata was 3.3 °C lower  (24.7 ± 0.1 °C [41]), and the benefits of oxygen saturation were still present in grow pipes  and raft. At temperatures below 28 °C, as seen in the present study, the DRF system does  not seem to be advantageous for plant cultivation due to lower leaf numbers in the pro‐ duction  of  M.  spicata  [41].  In  northern  regions  such  as  Germany  (Mecklenburg‐Vor‐ pommern), the DRF should only be used in summer to avoid temperature fluctuations  and low humidity in the aerospace of the DRF system. The application of only one crop‐ ping cycle for the DRF system, from June to September, is recommended, in contrast to  the two cropping cycles in tropical regions of Asia from April to October and October to  March [30]. Under semi‐natural cultivation conditions, a summer cropping period seems  to be ideal. However, the adaptation of DRF use in tropical greenhouses under aquaponic  conditions worldwide is a future challenge.  The DRF system showed a significantly  higher leaf wet (45.36 ± 13.53 g) and dry  weight (4.96 ± 1.57 g) than raft (34.94 ± 9.44 g; 3.74 ± 1.04 g) and grow pipes (32.74 ± 9.84  g, 3.75 ± 1.22 g; DRF > raft = grow pipes, Table 2), and the leaf length was highest in DRF  (14.29 ± 1.62 cm; DRF > raft = grow pipes). Leaf width was also highest (9.18 ± 1.33 cm)  and comparable to raft (8.50 ± 1.08 cm; DRF > grow pipes, Table 2). Under the same envi‐ ronmental  conditions,  DRF  appears  economically  attractive  as  it  produced  about  30%  more  leaf  fresh  and  dry  biomass.  Consequently,  the  dynamic  root  floating  technique  (DRF) must not be omitted from aquaponics gardening production methods in northern  latitudes [38].  4.3.2. Plant Biomass Development  O.  basilicum  biomass  development  was  significantly  higher  in  DRF  in  total  wet  (107.70 ± 34.03 g) and dry weight (10.38 ± 3.44 g), as well as in shoot axis wet and dry  weight (27.33 ± 10.11 g, 3.03 ± 1.33 g), compared with raft (82.02 ± 22.74 g, 8.07 ± 1.92 g,  18.42 ± 6.73 g, 1.90 ± 0.69 g) and grow pipes (77.86 ± 23.93 g, 8.21 ± 2.35 g, 20.01 ± 7.29 g,  2.04 ± 0.80 g; DRF > raft = grow pipes, Table 2). With 2261.68 g total mass and 952.66 g leaf  mass, DRF performed 30% better than raft and grow pipes. With 218.06 g total dry mass,  the DRF system produced about a quarter more mass than the other two systems, and  with 104.23 g dry leaf mass, about a third more (Table 2). Literature on comparative stud‐ ies with hydroponic subsystems and DRF are scarce. An aquaponic comparison with Nile  tilapia and Pak choi (Brassica rapa chinensis) in raft and DRF showed no significant differ‐ ences for plant yield, under a pH of 8.7 (DRF) to 8.8 (raft) and a conductivity (μS/cm) of  1005  and  975,  not  suitable  for  Pak  choi  cultivation  [33].  In  hydroponics,  a  better  basil  growth performance (fresh weight, dry weight, and height) was reported in raft (or DFT)  compared with a conventional NFT system with a rectangular profile [43]. In a former  experiment  under  decoupled  aquaponics  in  grow  pipes  and  raft,  basil  wet  (382.8  g,  360.8 g) and dry weight (36.6 g, 35.7 g) were also not significantly different. However, wet  weight values for grow pipes were 4.92‐fold higher and raft values 4.40‐fold higher than  in the present study (dry weights grow pipes: 4.46‐fold higher, raft: 4.42‐fold higher) [14].  With the use of an alternative fish feed (Skretting ME‐4.5 Meerval [14]) and different nu‐ trient ratios, basil developed a higher biomass. This was despite a lower EC value of 1619.4  μS/cm, twice as much phosphorus, and four times as much potassium inside the process  water. This resulted in an N:P:K ratio that was significantly closer to the proposed ratios    AgriEngineering 2021, 4, 6  105  for hydroponic cultivation [48,50]. A deficiency of essential nutrients may have resulted  in deterioration in the development of leaves and biomass [56].  Better biomass development of basil [14] might have been influenced by the method  of plant transplantation during the first stages of development. High growth performance  of O. basilicum was observed after plants were brought into the system three weeks after  sowing, with 6–8 leaves and 4 cm shoot axis height ([57], Pribbernow, pers. comm., 2020).  Most studies indicate that basil seedlings are transplanted into the experimental systems  2–3 weeks after sowing, or with 1–3 true, fully expanded leaf pairs [12,58,59]. Young basil  plants in the present study were planted in hydroponic subsystems with equal 4 cm shoot  heights. However, only one pair of true leaves occurred, and thus, a lower leaf mass as  the most relevant photosynthetic organ was present. This might have been caused by con‐ tamination of the seed material but also by adaptation of light [60] and heat [61]. The fur‐ ther development of the plants was thus inhibited and delayed, which could explain the  basil’s relatively low biomass and leaf development.  4.3.3. Root Development  The wet weight of the roots was best in DRF (35.00 g) and raft (28.65 g), whereas the  wet weight between the roots of the grow pipes (25.11 g) was not significantly different  compared with raft (DRF = raft, raft = grow pipes; Table 2). The dry weight of the roots  showed no differences between the hydroponic subsystems (DRF = raft = grow pipes) and  exhibited comparable root development. In general, the DRF system was developed to  stabilize  the  production  of  leafy  vegetables  during  the  monsoon  season,  when  plant  growth in NFT and raft deteriorated, and root activity was significantly reduced by oxy‐ gen depletion at higher temperatures [30]. In the DRF system, root activity is maintained  at high temperatures by the development of additional hair roots or “aero roots” that oc‐ cupy the air space above the water [30]. The two root types, aero roots and nutrient roots  [30], were beneficial in the DRF system and promoted biomass development compared  with plant culture in the raft system and growth pipes. In contrast, mint (Mentha spicata)  production in decoupled aquaponics at lower temperatures (25.64 ± 1.91 °C) and humidity  showed a lignification of aerial roots with a brown coloration [41]. The growth perfor‐ mance of mint was significantly lower in DRF compared with grow pipes, and root dry  weights were not significantly different between DRF, raft, and grow pipes [41]. Thus,  advantageous  DRF  hydroponics  was  seen only at  high  temperatures  above  30 °C and  should be used at northern latitudes only during the hot summer season when the oxygen  content in the process water of comparable systems, such as raft and grow pipes, becomes  suboptimal.  4.3.4. Plant Height Development  Total plant height was comparable between the hydroponic subsystems and not sig‐ nificantly different (DRF = raft = grow pipes; Table 2). However, height of the shoot axis  was significantly higher in the plants in both DRF (54.09 ± 8.86 cm) and grow pipes (55.75  ± 10.65 cm), followed by raft (46.78 ± 7.22 cm; DRF = grow pipes > raft). With the same  experimental design, basil showed higher shoot axis heights above‐ground in grow pipes  (79.7 ± 8.1 cm) and raft (84.9 ± 10.3 cm) after 35 days [14]. In contrast to our study, the  potassium availability was four‐fold higher [14], the plants were transplanted into the  system one week later with a higher leaf development, and artificial lighting was used  during  the  growth  period  [14,57].  Compared  to  conventional  basil  cultivation,  plant  height (shoot axis) in the present study was lower, as described with heights ranging be‐ tween 75 and 95 cm, but at a growing period of 120 days from sowing to transplanting to  the fields (30 days) to maturity (85–90 days) [62]. In hydroponics, the shoot axis height  was higher by about 74 cm, after 70 days and an EC value of 640 μS/cm [63]. In contrast,  basil plants were only 46.4–49.2 cm tall after 12 weeks when algae extracts were provided  as fertilizer [54]. At a comparable growth time of 8 weeks (3 weeks from sowing until    AgriEngineering 2021, 4, 6  106  transplanting + 5 weeks of growth), plant heights of approximately 45 cm were deter‐ mined in an aquaponic raft system during an interim evaluation, while basil grown in a  hydroponic raft system only reached about 28 cm at this time (calculated from original  data of Figure 2) [12]. At high EC values of 5000 and 10,000 μS/cm and a growth time of  70 days, shoot heights of approximately 62 and 49 cm were measured, also in hydroponics  with arbuscular mycorrhizal fungi inoculations [63]. Summarizing the above and under  consideration that the plant height during the present study was assessed after a short  growth period (15 days sowing to transplanting + 36 days growth), basil growth, espe‐ cially inside the DRF and grow pipes, performed moderately.  5. Conclusions  O. basilicum showed adequate growth performance in a decoupled aquaponic system  rec‐ design, by using aquaculture effluents of C. gariepinus cultivation under 25% of the  ommended feed input. High water temperatures of 28 ± 2.4 °C and nutrient concentrations  at a mean conductivity level of 2155.9 ± 238.5 μS/cm were not optimal for basil production,  limiting the plant growth. The dynamic root floating technique performed significantly  better in 11 (total wet weight, leaf mass wet weight, shoot axis wet weight, shoot axis  height, root wet weight, leaf wet weight, leaf length, leaf width, total dry weight, leaf dry  weight, and shoot axis dry weight) of 16 O. basilicum growth parameters than raft or grow  pipes (DRF > raft = grow pipes). Total biomass production was highest in plants cultured  in DRF in wet and dry weight (2261.68 g, 218.06 g) compared with raft (1722.31 g, 169.55  g) and grow pipes (1635.04 g, 172.36 g). In comparison to earlier studies, the nutrient con‐ centration ratio in the process water was suboptimal. In particular, the lack of potassium,  phosphorus, and iron must have reduced plant growth. For better plant performance un‐ der low feed input and high water temperatures, partial fertilization or a feed with a dif‐ ferent nutrient composition should be considered. The high water temperatures of up to  34.4 °C resulted in reduced root activity in raft and grow pipes and thus, reduced biomass.  Aero roots in the DRF were also poorly developed, but still better than in both other sam‐ pled subsystems. Consequently, the DRF can be recommended for summer basil produc‐ tion in northern latitudes under glasshouse conditions when the water temperatures reach  above 28 °C.  Author Contributions: All authors contributed to several aspects of the study, specifically, con‐ ceptualization: J.P., U.K., S.A. and H.W.P; methodology: J.P., B.R. and U.K.; software: J.P., B.R. and  U.K.; validation: J.P., B.R., U.K., S.A. and H.W.P.; formal analysis: J.P., B.R., U.K., S.A. and H.W.P.;  investigation: U.K. and J.P.; resources: J.P. and B.R.; data curation: J.P., B.R., U.K., S.A. and H.W.P.;  writing—original draft preparation: J.P., U.K., S.A. and H.W.P.; writing—review and editing: J.P.,  B.R., U.K., S.A. and H.W.P.; visualization: J.P.; supervision: U.K., H.W.P and S.A.; project admin‐ istration: H.W.P and U.K.; funding acquisition: H.W.P. and U.K. All authors have read and agreed  to the published version of the manuscript.  Funding: We thank the Ministry of Agriculture, Environment and Consumer Protection of Meck‐ lenburg‐Western Pomerania (Germany), the European Union and EIP‐AGRI operational groups for  supporting research in aquaponics (‘Aquaponik in MV’, BNRZD: 13 903 000 0103; WM‐EIP‐0007‐ 15). This project was funded through the project “Performance and process water management in  commercial (integrated) aquaculture systems with African catfish (Clarias gariepinus) in Mecklen‐ burg‐Western Pomerania” (MV‐II.1‐LM‐007, European Union 75%). This project was also funded  by the Ph. D Scholarship Programme “Unsere Besten promovieren in Rostock” from the University  of Rostock. We acknowledge financial support from Deutsche Forschungsgemeinschaft and Uni‐ versität Rostock within the funding programme Open Access Publishing.  Institutional Review Board Statement: Not applicable.  Informed Consent Statement: Not applicable.  Data Availability Statement: The authors follow MDPI´s Data Availability Statement.  Conflicts of Interest: The authors declare no conflict of interest.     AgriEngineering 2021, 4, 6  107  References  1. Palm, H.W.; Knaus, U.; Appelbaum, S.; Goddek, S.; Strauch, S.M.; Vermeulen, T.; Jijakli, M.H.; Kotzen, B. Towards commercial  aquaponics: A review of systems, designs, scales and nomenclature. Aquac. Int. 2018, 26, 813–842.  2. Maucieri, C.; Nicoletto, C.; van Os, E.; Anseeuw, D.; Van Havermaet, R.; Junge, R. Chapter 4. Hydroponic Technologies. In  Aquaponic Food Production Systems; Goddek, S., Joyce, A., Kotzen, B., Burnell, G., Eds.; Springer International Publishing: Basel,  Switzerland, 2019; pp. 77–110.  3. Love, D.C.; Fry, J.P.; Li, X.; Hill, E.S.; Genello, L.; Semmens, K.; Thompson, R.E. Commercial aquaponics production and prof‐ itability: Findings from an international survey. Aquaculture 2015, 435, 67–74.  4. Engle, C.R. Economics of Aquaponics, SRAC‐5006; Oklahoma State University: Stillwater, OK, USA, 2016, p. 4.  5. Espinosa‐Moya, A.; Álvarez‐González, A.; Albertos‐Alpuche, P.; Guzmán‐Mendoza, R.; Martínez‐Yáñez, R. Growth and devel‐ opment of herbaceous plants in aquaponic systems. Acta Univ. 2018, 28, 1–8.  6. Rakocy, J.E. Aquaponics: Integrating fish and plant culture. In Aquaculture Production Systems; Tidwell, J.H., Ed.; Wiley‐Black‐ well: Oxford, UK, 2012; pp. 344–386.  7. Chalchat, J.C.; Özcan, M.M. Comparative essential oil composition of flowers, leaves and stems of basil (Ocimum basilicum L.)  used as herb. Food Chem. 2008, 110, 501–503.  8. Ahmed, E.A.; Hassan, E.A.; Tobgy, K.M.; Ramadan, E.M. Evaluation of rhizobacteria of some medicinal plants for plant growth  promotion and biological control. Ann. Agric. Sci. 2014, 59, 273–280.  9. Nguyen, P.M.; Kwee, E.M.; Niemeyer, E.D. Potassium rate alters the antioxidant capacity and phenolic concentration of basil  (Ocimum basilicum L.) leaves. Food Chem. 2010, 123, 1235–1241.  10. Al‐Maskari, M.Y.; Hanif, M.A.; Al‐Maskri, A.Y.; Al‐Adawi, S. Basil: A natural source of antioxidants and neutraceuticals. In  Natural Products and Their Active Compounds on Disease Prevention; Mohamed Essa, M., Ed.; Nova Science Publishers Inc.: New  York, NY, USA, 2012; pp. 463–471.  11. Succop, C.E.; Newman, S.E. Organic fertilization of fresh market sweet basil in a greenhouse. HortTechnoloy 2004, 14, 235–239.  12. Saha, S.; Monroe, A.; Day, M.R. Growth, yield, plant quality and nutrition of basil (Ocimum basilicum L.) under soilless agricul‐ tural systems. Ann. Agric. Sci. 2016, 61, 181–186.  13. Ferrarezi, R.S.; Bailey, D.S. Basil performance evaluation in aquaponics. HortTechnology 2019, 29, 85–93.  14. Knaus, U.; Pribbernow, M.; Xu, L.; Appelbaum, S.; Palm, H.W. Basil (Ocimum basilicum) Cultivation in Decoupled Aquaponics  with Three Hydro‐Components (Grow Pipes, Raft, Gravel) and African Catfish (Clarias gariepinus) Production in Northern Ger‐ many. Sustainability 2020, 12, 8745.  15. Rakocy, J.E.; Bailey, D.S.; Shultz, R.C.; Thoman, E.S. Update on tilapia and vegetable production in the UVI aquaponic system.  In New Dimensions on Farmed Tilapia, Proceedings of the 6th International Symposium on Tilapia in Aquaculture Philippine International  Convention, Manila, Philippines, 12–16 September 2004; Bolivar, R., Fitzsimmons, K.M., Mair, G.C., Eds.; FAO: Rome, Italy, 2004;  pp. 12–16.  16. Palm, H.W.; Bissa, K.; Knaus, U. Significant factors affecting the economic sustainability of closed aquaponic systems. Part II:  Fish and plant growth. Aquac. Aquar. Conserv. Legis. 2014, 7, 162–175.  17. Knaus, U. Wachstum Verschiedener Fisch—und Pflanzenarten und Deren Auswirkungen auf Die Chemisch‐Physikalischen  Parameter in geschlossenen Warmwasser‐Aquaponiksystemen. Ph.D. Thesis, University of Rostock, Rostock, Germany, 2016.  18. Destatis  E2.  Betriebe  mit  Erzeugung  in  Aquakultur  sowie  erzeugter  Menge  im  Jahr  2019  nach  Art  der  Bewirtschaftung.  Afrikanischer  Raubwels.  In  Land  und  Forstwirtschaft,  Fischerei.  Erzeugung  in  Aquakulturbetrieben;  Fachserie  3,  Reihe  4.6;  Statistisches Bundesamt (Destatis): Wiesbaden, Germany, 2019; p. 13.  19. Fatollahi, M.; Kasumyan, A.O. The study of sensory bases of the feeding behavior of the African catfish Clarias gariepinus (Clar‐ iidae, Siluriformes). J. Ichthyol. 2006, 46, 161–172.  20. Oellermann, L.K. A Comparison of the Aquaculture Potential of Clarias gariepinus (Burchell, 1822) and Its Hybrid with Hetero‐ branchus longifilis Valenciennes, 1840 in Southern Africa. Ph.D. Thesis, Rhodes University, Makhanda, South Africa, 1995.  21. Huisman, E.A.; Richter, C.J.J. Reproduction, growth, health control and aquacultural potential of the African catfish, Clarias  gariepinus (Burchell 1822). Aquaculture 1987, 63, 1–14.  22. Baßmann, B.; Brenner, M.; Palm, H.W. Stress and welfare of African catfish (Clarias gariepinus Burchell, 1822) in a coupled aq‐ uaponic system. Water 2017, 9, 504.  23. Endut, A.; Lananan, F.; Abdul Hamid, S.H.; Jusoh, A.; Wan Nik, W.N. Balancing of nutrient uptake by water spinach (Ipomoea  aquatica) and mustard green (Brassica juncea) with nutrient production by African catfish (Clarias gariepinus) in scaling aquaponic  recirculation system. Desalination Water Treat. 2016, 57, 29531–29540.  24. Lennard, W.A.; Leonard, B.V. A comparison of three different hydroponic sub‐systems (gravel bed, floating and nutrient film  technique) in an aquaponic test system. Aquac. Int. 2006, 14, 539–550.  25. Zweig, R.D. An integrated fish culture hydroponic vegetable production system. Aquac. Mag. 1986, 12, 34–40.  26. Somerville, C.; Cohen, M.; Pantanella, E.; Stankus, A.; Lovatelli, A. Small‐scale aquaponic food production: Integrated fish and plant  farming. FAO Fisheries and Aquaculture Technical Paper No. 589; FAO: Rome, Italy, 2014; p. 262   27. Cooper, A. The ABC of NFT. Nutrient Film Technique; Grower Books: London, UK, 1979; p. 181.  28. Wattanapreechanon, E.; Sukprasert, P. Development of soilless culture for crop production in Thailand. Kasetsart J. 2012, 33,  475–485.    AgriEngineering 2021, 4, 6  108  29. Remy, M.; Singh, B.K.; Taylor, R. Evaluación de Dos Técnicas Hidropónicas Adaptadas Para las Condiciones del Trópico húm‐ edo. Bachelor’s Thesis, Universidad EARTH, San José, Costa Rica, 2005.  30. Kao, T.C.; Hsiang, T.; Changhua, R.O.C. The Dynamic Root Floating Hydroponic Technique: Year‐Round Production of Vegetables in  Roc on Taiwan; ASPAC Food & Fertilizer Technology Center: Taipei, Taiwan, 1991.  31. Silva, L.; Gasca‐Leyva, E.; Escalante, E.; Fitzsimmons, K.M.; Lozano, D.V. Evaluation of biomass yield and water treatment in  two aquaponic systems using the dynamic root floating technique (DRF). Sustainability 2015, 7, 15384–15399.  32. Pantanella, E. Aquaponics Production, Practices and Opportunities. In Sustainable Aquaculture, Applied Environmental Science and  Engineering for a Sustainable Future; Hai, F.I., Visvanathan, C., Boopathy, R., Eds.; Springer: Cham, Switzerland, 2018; pp. 191– 248.  33. Silva, L.; Valdés‐Lozano, D.; Escalante, E.; Gasca‐Leyva, E. Dynamic root floating technique: An option to reduce electric power  consumption in aquaponic systems. J. Clean. Prod. 2018, 183, 132–142.  34. Bione, M.A.A.; Paz, V.P.S.; da Silva, F.; Sartoratto, A.; Soares, T.M. Production of hydroponic basil essential oil with conventional  nutrient solution in brackish waters and organic nutrient solution. In Proceedings of the II Inovagri International Meeting,  Fortaleza, Brazil, 13–16 April 2014; pp. 438–448.  35. Putievsky, E.; Galambosi, B. Production systems of sweet basil. In Basil: The Genus Ocimum; Hiltunen, R., Holm, Y., Eds.; Har‐ wood Academic Publishers: Amsterdam, The Netherlands, 1999; pp. 39–65.  36. IBM. IBM SPSS Statistics for Windows, Version 23.0; IBM: New York, NY, USA, 2019.   ® ® 37. Microsoft . Microsoft Excel ; Microsoft: Redmond, WA, USA, 2010.  38. Palm, H.W.; Knaus, U.; Wasenitz, B.; Bischoff, A.A.; Strauch, S.M. Proportional up scaling of African catfish (Clarias gariepinus  Burchell, 1822) commercial recirculating aquaculture systems disproportionally affects nutrient dynamics. Aquaculture 2018,  491, 155–168.  39. Pantanella, E. Nutrition and Quality of Aquaponic Systems. Ph.D. Thesis. Universita degli Studi della Tuscia, Viterbo, Italy,  2012, pp. 55–77.  40. Zimmermann, J.  Vergleich des  Wachstums von  Marokkanischer  Minze (Mentha  spicata)  in  drei  verschiedenen Hydroponik  Subsystemen unter aquaponischer Produktion. Master′s Thesis, University of Rostock, Rostock, Germany, 2017.  41. Pasch,  J.  Einfluss  einer  Wurzel‐Belüftung  auf  das  Wachstum  der  Marokkanischen  Minze  (Mentha  spicata  L.)  bei  drei  verschiedenen Hydroponik‐Subsystemen unter aquaponischer Produktion. Master′s Thesis, University of Rostock, Rostock,  Germany, 2018.  42. Beaman, A.R.; Gladon, R.J.; Schrader, J.A. Sweet basil requires an irradiance of 500 μ mol∙ m− 2∙ s− 1 for greatest edible biomass  production. HortScience 2009, 44, 64–67.  43. Walters, K.J.; Currey, C.J. Hydroponic greenhouse basil production: Comparing systems and cultivars. HortTechnology 2015, 25,  645–650.  44. Wetzel, R.G. Limnology: Lake and River Ecosystems, 3rd ed.; Academic Press: San Diego, CA, USA, 2001; pp. 151–167.  45. Morard, P.; Lacoste, L.; Silvestre, J. Effect of oxygen deficiency on uptake of water and mineral nutrients by tomato plants in  soilless culture. J. Plant Nutr. 2000, 23, 1063–1078.  46. Rakocy, J.E.; Masser, M.P.; Losordo, T.M. Recirculating aquaculture tank production systems: Aquaponics—integrating fish  and plant culture. SRAC Publ. South. Reg. Aquac. Cent. 2006, 16, 454.  47. Sharma, N.; Acharya, S.; Kumar, K.; Singh, N.; Chaurasia, O.P. Hydroponics as an advanced technique for vegetable production:  An overview. J. Soil Water Conserv. 2018, 17, 364–371.  48. Morano, G.; Amalfitano, C.; Sellitto, M.; Cuciniello, A.; Maiello, R.; Caruso, G. Effects of nutritive solution electrical conductivity  and plant density on growth, yield and quality of sweet basil grown in gullies by subirrigation. Adv. Hortic. Sci. 2017, 31, 25–30.  49. Bittsanszky, A.; Uzinger, N.; Gyulai, G.; Mathis, A.; Junge, R.; Villarroel, M.; Kotzen, B.; Komives, T. Nutrient supply of plants  in aquaponic systems. Ecocycles 2016, 2, 17–20.  50. Trejo‐Téllez, L.I.; Gómez‐Merino, F.C. Nutrient solutions for hydroponic systems. Hydroponics A Stand. Methodol. Plant Biol. Res.  2012, 1–22, doi:10.5772/37578  51. Sharafzadeh, S.; Alizadeh, O. Nutrient supply and fertilization of basil. Adv. Environ. Biol. 2011, 5, 956–960.  52. López‐Millán, A.F.; Grusak, M.A.; Abadía, A.; Abadía, J. Iron deficiency in plants: An insight from proteomic approaches. Front.  Plant Sci. 2013, 4, 254.  53. Kiferle, C.; Maggini, R.; Pardossi, A. Influence of nitrogen nutrition on growth and accumulation of rosmarinic acid in sweet  basil (Ocimum basilicum L.) grown in hydroponic culture. Aust. J. Crop Sci. 2013, 7, 321–327.  54. Elansary, H.O.; Yessoufou, K.; Shokralla; S.; Mahmoud, E.A.; Skalicka‐Woźniak, K. Enhancing mint and basil oil composition  and antibacterial activity using seaweed extracts. Ind. Crops Prod. 2016, 92, 50–56.  55. Eck, M.; Sare, A.R.; Massart, S.; Schmautz, Z.; Junge, R.; Smits, T.H.M.; Jijakli, M.H. Exploring Bacterial Communities in Aqua‐ ponic Systems. Water 2019, 11, 260.  56. Janpen, C.; Kanthawang, N.; Inkham, C.; Tsan, F.Y.; Sommano, S.R. Physiological responses of hydroponically‐grown Japanese  mint under nutrient deficiency. PeerJ 2019, 7, e7751.  57. Pribbernow, M. (University of Rostock, Rostock, Germany); Knaus et al. (2020) [14]; Knaus, U. (University of Rostock, Rostock,  Germany); Xu, L. (University of Rostock, Rostock, Germany); Appelbaum, S. (Ben‐Gurion University of the Negev, Midreshet  Ben‐Gurion, Israel); Palm, H.W. (University of Rostock, Rostock, Germany); Personal communication, 2020.    AgriEngineering 2021, 4, 6  109  58. Dou, H.; Niu, G.; Gu, M. Pre‐harvest UV‐B radiation and photosynthetic photon flux density interactively affect plant photo‐ synthesis, growth, and secondary metabolites accumulation in basil (Ocimum basilicum) plants. Agronomy 2019, 9, 434.  59. Matsumoto, S.N.; Araujo, G.D.S.; Viana, A.E.S. Growth of sweet basil depending on nitrogen and potassium doses. Hortic. Bras.  2013, 31, 489–493.  60. Meng, Q.; Runkle, E.S. Far‐red radiation interacts with relative and absolute blue and red photon flux densities to regulate  growth, morphology, and pigmentation of lettuce and basil seedlings. Sci. Hortic. 2019, 255, 269–280.  61. Ramin, A.A. Effects of salinity and temperature on germination and seedling establishment of sweet basil (Ocimum basilicum  L.). J. Herbs Spices Med. Plants 2006, 11, 81–90.  62. Srivastava, R.K.; Kumar, S.; Sharma, R.S. Ocimum as a promising commercial crop. In The Ocimum Genome, Compendium of Plant  Genomes; Shasany, A.K., Kole, C., Eds.; Springer Nature: Cham, Switzerland, 2018; pp. 1–7.  63. Elhindi, K.M.; El‐Din, A.S.; Elgorban, A.M. The impact of arbuscular mycorrhizal fungi in mitigating salt‐induced adverse ef‐ fects in sweet basil (Ocimum basilicum L.). Saudi J. Biol. Sci. 2017, 24, 170–179.  http://www.deepdyve.com/assets/images/DeepDyve-Logo-lg.png AgriEngineering Multidisciplinary Digital Publishing Institute

Growth of Basil (Ocimum basilicum) in DRF, Raft, and Grow Pipes with Effluents of African Catfish (Clarias gariepinus) in Decoupled Aquaponics

Loading next page...
 
/lp/multidisciplinary-digital-publishing-institute/growth-of-basil-ocimum-basilicum-in-drf-raft-and-grow-pipes-with-9q6HO3Z9Nb

References

References for this paper are not available at this time. We will be adding them shortly, thank you for your patience.

Publisher
Multidisciplinary Digital Publishing Institute
Copyright
© 1996-2021 MDPI (Basel, Switzerland) unless otherwise stated Disclaimer The statements, opinions and data contained in the journals are solely those of the individual authors and contributors and not of the publisher and the editor(s). MDPI stays neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations. Terms and Conditions Privacy Policy
ISSN
2624-7402
DOI
10.3390/agriengineering3010006
Publisher site
See Article on Publisher Site

Abstract

Article  Growth of Basil (Ocimum basilicum) in DRF, Raft, and Grow  Pipes with Effluents of African Catfish (Clarias gariepinus)   in Decoupled Aquaponics  1, 2  3  1  1 Johannes Pasch  *, Benny Ratajczak  , Samuel Appelbaum , Harry W. Palm  and Ulrich Knaus     Department of Aquaculture and Sea‐Ranching, Faculty of Agricultural and Environmental Science,   University of Rostock, D‐18059 Rostock, Germany; johannes.pasch@uni‐rostock.de (J.P.);   harry.palm@uni‐rostock.de (H.W.P.); ulrich.knaus@uni‐rostock.de (U.K.)    Tessiner Edelfisch GmbH, Woltow 20, 18195 Selpin, Germany; bennyratajczak@yahoo.de (B.R.)    French Associates Institute for Agriculture and Biotechnology of Drylands, Jacob Blaustein Institutes for  Desert Research, Ben‐Gurion University of the Negev, Midreshet Ben‐Gurion 8499000, Israel;  sappl@bgu.ac.il (S.A.) *  Correspondence: Johannes.pasch@uni‐rostock.de Tel.: 0049‐381‐4980‐3734 / 0049‐178‐6570697  Abstract: Basil (Ocimum basilicum) was cultivated in Rostock, Northern Germany, in a decoupled  aquaponic system with African catfish (Clarias gariepinus) under intensive rearing conditions by us‐ ing three hydroponic components, the dynamic root floating technique (DRF), the raft technique,  and grow pipes. A 25% of the recommended feed input still allowed African catfish growth and  provided adequate nitrogen and calcium levels in the process water. After 36 days, the plants were  examined with respect to 16 different growth parameters. DRF performed significantly better than  raft  and/or  grow  pipes  in  11  parameters.  Total  weight  of  basil  was  significantly  higher  in  DRF  (107.70 ± 34.03 g) compared with raft (82.02 ± 22.74 g) and grow pipes (77.86 ± 23.93 g). The econom‐ ically important leaf biomass was significantly higher in wet and dry weight under DRF cultivation  Citation: Pasch, J.; Ratajczak, B.;   Appelbaum, S.; Palm, H.W.; Knaus,  (45.36 ± 13.53 g; 4.96 ± 1.57 g) compared with raft (34.94 ± 9.44 g; 3.74 ± 1.04 g) and grow pipes (32.74  U. Growth of Basil (Ocimum   ± 9.84 g; 3.75 ± 1.22 g). Two main factors limited plant growth: an unbalanced nutrient concentration  basilicum) in DRF, Raft, and Grow  ratio and high water temperatures with an average of 28 °C (max 34.4 °C), which resulted in reduced  Pipes with Effluents of African   root activity in raft and grow pipes. DRF was able to maintain root activity through the 5 cm air  Catfish (Clarias gariepinus) in   space between the shoots and the nutrient solution and thus produced significantly more biomass.  Decoupled Aquaponics.   This suggests DRF to be used for basil aquaponics under glass house conditions with high‐temper‐ AgriEngineering 2021, 3, 6.  ature scenarios. Future studies are needed to optimize nutrient loads and examine systems with the  https://doi.org/10.3390/  plant roots exposed to air (Aeroponics).  agriengineering3010006  Keywords: basil; African catfish; dynamic root floating technique (DRF); floating raft; deep water  Received: 30 January 2021  culture; grow pipes; aquaponics; hydroponics  Accepted: 22 February 2021  Published: 26 February 2021  Publisher’s Note: MDPI stays neu‐ tral with regard to jurisdictional  1. Introduction  claims in published maps and insti‐ Aquaponics is a scientific field of increasing relevance due to the possibility of sus‐ tutional affiliations. tainable, resource‐friendly food production [1]. However, there are still many open ques‐ tions and research areas in this young discipline, such as the growth potential of different  crops in various subsystems [2]. Plant species such as basil (Ocimum basilicum) and spear‐ Copyright: © 2021 by the authors.  mint (Mentha spicata) already show a high potential for aquaponic cultivation, and these  Licensee MDPI, Basel, Switzerland.  species are economically important and should, therefore, be further investigated in aq‐ This article is an open access article  uaponics in combination with different fish species [3–5].  distributed under the terms and con‐ Especially suitable for aquaponics are plants with a high growth potential, market  ditions of the Creative Commons At‐ demand, and price, such as culinary herbs [6], while at the same time having only mod‐ tribution (CC BY) license (http://cre‐ erate space requirements. Plant production in aquaponics was dominated to 81% by basil  ativecommons.org/licenses/by/4.0/).  AgriEngineering 2021, 4, 92–109. https://doi.org/10.3390/agriengineering3010006  www.mdpi.com/journal/agriengineering  AgriEngineering 2021, 4, 6  93  (Ocimum basilicum) and has therefore been the most cultivated herb [3]. Basil develops a  distinctive and unmistakable scent via oil glands on the leaves and is considered one of  the most versatile herbs  [7]. As a medicinal herb  or  as an important ingredient in the  kitchen, basil has become, dried or fresh, a part of almost all cultures [8–10]. The demand  for basil is very high among aquaponics and hydroponics producer groups [11]. As basil  is particularly suitable for soilless cultivation, it has therefore been used in various aqua‐ ponics and hydroponics experiments [12–14]. Basil can produce 1.8 kg per m  under aq‐ uaponic production [15], whereas basil in soil cultivation can produce only 0.6 kg per m   [15]. In combination with C. gariepinus and Nile tilapia (Oreochromis niloticus), basil (O.  basilicum) showed good growth performance in an extensive coupled ebb and flood gravel  substrate system [16]. However, few studies report on basil under decoupled aquaponics  in different hydroponic subsystems or components [14].  African catfish (Clarias gariepinus Burchell, 1822) is gaining increasing scientific and  economic  importance,  and  not  only  in  Mecklenburg  Western  Pomerania,  Germany  [17,18]. This fish is suitable for aquaculture because of its high tolerance to different rear‐ ing conditions, with a low susceptibility to disease and the ability to breathe atmospheric  air with its accessory respiratory organ [19]. Furthermore, African catfish has an excellent  feed conversion rate, especially at high stocking densities [20,21]. C. gariepinus was culti‐ vated under aquaponic conditions with cucumber (Cucumis sativus) [22], water spinach  (Ipomoea aquatica) [23], lettuce (Lactuca sativa), tomatoes (Solanum lycopersicum), and basil  (Ocimum basilicum) [16], and has showed good growth performance. The use of the Afri‐ can catfish in aquaponics is possible and should be further investigated due to its con‐ sumer acceptance.  Recent aquaponics systems can use a wide range of different hydroponic subsystems  or components for domestic or commercial plant cultivation [1,2]. One of these methods  is the “floating raft technique (raft)” [24]. Here, the plants grow in grid pots on floating  material (e.g., polystyrene), with the roots permanently submerged in the process water,  also known as “deep‐water culture (DWC)”. This method was already experimentally in‐ vestigated several years ago and has been most frequently used [3,25]. For industrial or  domestic purposes, the “nutrient film technique (NFT)” is a popular option, using closed  channels or grow pipes [26] with small openings for plant cultivation. The roots are sup‐ plied with nutrients by a permanent water film and grow inside the channels. The NFT  technique is a simple and cheap farming option with relatively low water consumption  [24]. NFT is also a long‐established aquaponics system and has been used in several ex‐ periments, with varying results regarding production and harvest potential [24,27].  A  new  method  in  aquaponics  is  the  so‐called  “dynamic  root  floating  technique  (DRF)”, which is known as a suitable system for the cultivation of leafy vegetables and  sweet basil [28] under tropical Asian climatic conditions in hydroponics [29,30]. DRF sys‐ tems can increase the development of so‐called “aero roots” or “hair roots”, which de‐ velop at the root base a few centimeters above the water level and maintain permanent  contact with atmospheric oxygen. This is primarily intended to improve the plant’s oxy‐ gen supply, e.g., for nitrification to improve plant growth [31]. Nevertheless, the basal  roots are in constant contact with the nutrient water [30]. Another advantage of air roots  formed by DRF is the saving of electrical energy, which was described in raft aquaponics  systems with an active aeration of plants [32]. A study demonstrated that the DRF tech‐ nique could save up to 11.4% in electricity costs [33]. This exemplifies that DRF offers  many advantages in terms of plant growth and energy costs and should be further inves‐ tigated under aquaponics conditions.  The present study was conducted in the FishGlassHouse of the University of Rostock  in Northern Germany under decoupled aquaponics conditions without the use of addi‐ tional fertilizer at the grow‐out stage. The growth performance of basil (Ocimum basilicum)  was  compared  by  cultivation  in  three  different  hydroponic  subsystems:  dynamic  root  floating technique (DRF), “floating raft technique (raft), and grow pipes. For plant growth,    AgriEngineering 2021, 4, 6  94  aquaculture  effluents  were  used  from  intensive  C.  gariepinus  production.  Fish  perfor‐ mance and sixteen different growth parameters of basil were observed and effects of the  different hydroponic subsystems on plant growth are discussed.  2. Materials and Methods  The experiment was conducted in summer 2019, from 18 June to 23 July 2019 (36  days) in the FishGlassHouse (FGH) of the University Rostock (latitude: 54.075714, longi‐ 2 2 tude: 12.096591). The 100 m  greenhouse cabin (1_05) and the 100 m  intensive aquaculture  unit (IAU) were used. The IAU (PAL Anlagenbau GmbH, Germany) consists of nine fish  3 2 3 tanks (1 m ), a sedimentation tank (1.7 m ), a pump sump (6 m ), and a trickling filter (17  3 3 3 m ), and had a stocking density of max 200 kg/m , 117–130 fish/m . The aquaponic princi‐ ple was decoupled and used effluents from C. gariepinus production without additional  fertilizer. The  wastewater  was  pumped  at  regular  intervals  biweekly  through  transfer  tanks to the greenhouse’s hydroponic cabin.  2.1. Hydroponics Unit  The  hydroponics  cabin  contained  a  pump  sump  and  nine  individual  hydroponic  components with seven basil plants each. Within one system, the plants were spaced 30  cm apart [34,35]. The whole system contained 2450 L of process water. Every Tuesday and  Thursday, the water of the pump sump was drained and refilled with 540 L process water  from the IAU. A 780 W pump transported the water from the pump sump into the nine  experimental channels. The inflows of all hydroponic subsystems were set to 4 L/min. The  three techniques—DRF, raft, and grow pipes—were tested in triplicates and a completely  randomized block design (CRD) (Figure 1).  Figure 1. Schematic illustration of the decoupled experimental hydroponics cycle with dynamic root  floating (DRF), raft, and grow pipes hydroponic components in cabin 1_05 of the FishGlassHouse.  The nutrient‐enriched water from the aquaculture was pumped via a transfer tank into the decou‐ pled hydroponics cabin.  2.1.1. Dynamic Root Floating Technique (DRF)  For the dynamic root floating technique (DRF), glass fiber channels were used of re‐ inforced plastic with the dimensions of 280 cm × 40 cm × 45 cm. Each channel was filled  with 317 L of water, on whose surface 40 mm‐thick polystyrene rafts were placed. The  rafts had holes for grid pots of 5 cm in diameter, where the seedlings were placed. Over a  period of 14 days, a membrane pump (Aqua Medic Mistral 4000, AQUA MEDIC GmbH,  Bissendorf, Germany) transported approximately 4000 L/h air into the system water via  4/6 mm air hoses with two air stones per tank. Two weeks after the seedlings were trans‐ planted into the channels, the water level was continuously lowered by 1 cm daily until    AgriEngineering 2021, 4, 6  95  the total air space of 5 cm was reached via a variable escape pipe (Figure 2). The plants  had the same distance from the ground and the same water surface height in all three  hydroponic subsystems during the experiment.  Figure 2. Schematic illustration of the dynamic root floating system (DRF) with air space of 5 cm. I  = Inflow, O = Outflow.  2.1.2. Floating Raft Culture (Raft)  For floating raft culture (raft), glass fiber channels of reinforced plastic (280 cm × 40  cm × 45 cm) were used. Each channel was filled with 317 L of water, on the surface of  which 40 mm‐thick polystyrene rafts were placed. The rafts had holes for grid pots with  a diameter of 5 cm in which the seedlings were placed. A membrane pump (Aqua Medic  Mistral 4000, AQUA MEDIC GmbH, Bissendorf, Germany) transported approximately  4000 L/h of air through 4/6 mm air hoses, with two air stones per channel, into the system  water over the entire period.  2.1.3. Grow Pipes  The grow pipes were built of unplasticized polyvinyl chloride (PVC) sewage drain‐ age pipes [26] with the dimensions of 275 cm in length × 12 cm in diameter and a slope of  2.12%. Each tube had seven holes for the basil seedlings in the grid pots, which were fixed  to the pipe with wires to ensure the same initial plant height as in the other subsystems.  The roots were constantly covered by a water film of 4 L/min.  2.2. Fish Production and Feeding  African catfish (C. gariepinus) were produced in the intensive aquaculture unit (IAU)  of the FishGlassHouse and reared in staggered production. The nine fish tanks were di‐ vided into three weight‐size classes, with each class containing fish of the same size. At  the beginning of the experiment, size class one had the largest fish with an average weight  of  1310.1  g  (±29.0) and 117  fish/tank.  Size  class two  had an average  weight  of  623.7 g  (±14.9), with 130 fish/tank. Size class three contained the smallest fish with an average  weight of 297.1 g (±6.5), with 127 fish/tank. Fish were fed with SPECIAL PRO EF 4.5 mm  (Alltech Coppens BV, Leende, The Netherlands) with 42% crude protein, 13% crude fat,  1.5% fiber, 7.6% ash, 1.02% phosphorus, 1.9% calcium, and 0.3% sodium. The feeding of  the fish followed the protocol of PAL Anlagenbau GmbH (Abtshagen, Germany) at 25%  of the recommended feed input, resulting in minimal growth rates and stable water con‐ ditions, by automatic feeders. Feeding intervals were from 9:00 pm to 5:00 am every half  hour for two seconds.        AgriEngineering 2021, 4, 6  96  2.3. Plant Cultivation  On 3 June 2019, the watered seeds of O. basilicum were sown in seed coats, with a  mixed substrate of peat, perlite, and coconut fibers (Eazy Plug) and placed into seedling  trays. After four days, the plants germinated and were fertilized until the start of the trial  with 1 g/L Universol Orange (Everris International BV, Heerlen, The Netherlands), 6%  total nitrogen (N), 5% phosphate (P2O5), 25% potassium oxide (K2O), and 3.4% magnesium  oxide (MgO). On 18 June 2019, 63 randomly selected plants with an average height of 4  cm and 2 leaves were transplanted to the hydroponic systems by using the grid pots. From  the beginning of the experiment, the plants received only the nutrients from the process  water of the fish cycle. No additional fertilizer was added.  At the end of the experiment, the following plant parameters were examined: total  wet weight (g), total height (cm), leaf mass wet weight (g), number of leaves longer than  3 mm (no.), shoot axis wet weight (g), shoot axis height (cm), root wet weight (g), root  length (cm), and the leaf weight (g), lengths (cm), and widths (cm) of the third upper shoot  node. At the end of the experiment, the total leaf wet and dry mass (g) and the dry mass  (g) of leaves, shoots, and roots of all plants were determined by drying the samples for 72  h at 60 °C and afterwards for 2 h at 120 °C in a drying oven (UF750 plus, Memmert GmbH  & Co. KG, Schwabach, Germany). During the experiment, shoot height and number of  leaves were taken once a week. At the end of the experiment, the chlorophyll content of  the leaves of the third shoot node of each plant was examined and categorized according  to the SPAD (Soil Plant Analysis Development) index (SPAD‐502PLUS, Konica Minolta,  Inc., Marunouchi, Japan).  2.4. Physicochemical Parameters  The data of physical water parameters were collected every Monday to Friday at 1:30  pm with a HQ40d multimeter three‐fold (Hach Lange GmbH, Düsseldorf, Germany). Ox‐ ygen saturation (%), oxygen concentration (mg/L), water temperature (°C), pH value, con‐ ductivity (μS/cm), redox potential (mV), and salinity (‰) were measured. Illuminance (lx  (×10)) and photosynthetically active radiation (PPFD: photosynthetic photon flux density,  μmol/m s) were measured once a week at 1:30 pm at the same position in the center of  each subsystem. Every Tuesday and Thursday, water samples were taken from the pump  sump and analyzed with the Gallery™ Analyzer (Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA  USA) to determine the concentrations of the chemical parameters: ammonium (NH4 ), ni‐ − − 3− + + trite (NO2 ), nitrate (NO3 ), phosphate (PO4 ), potassium (K ), magnesium (Mg2 ), calcium  + + 3− (Ca2 ), iron (Fe2 ), and sulfate (SO4 ). Using the colorimetric hydrazine method (template:  © 2021 D08896_01  Thermo Fisher Scientific Inc., Waltham, MA USA), TON (total oxidized  nitrogen) as N and nitrate (calculation: TON‐nitrite) were analyzed. Using hydrazine un‐ der alkaline conditions, nitrate was reduced to nitrite. Under acidic conditions, N‐1‐naph‐ thylethylenediamine dihydrochloride and sulfanilamide were used to convert the total  nitrite ions to a pink azo dye. At 540 nm, the absorbance was determined and related to  the TON concentration by means of a calibration curve.  2.5. Mathematical and Statistical Analysis  At the beginning of the experiment on 18 June 2019, on 4 July 2019, and at the end of  the experiment on 23 July 2019, the total biomass weight and the number of fish per tank,  as well as three randomly selected animals per tank, were measured individually. Based  on this data, the feed conversion ratio (FCR, Formula (1)), the specific growth rate (SGR,  Formula (2)), the biomass increase, the condition factor (C, Formula (3)), and the percent‐ age growth (G, Formula (4)) were calculated. The following formulae were used:  𝐹𝐶𝑅 𝑓 𝑖𝑠ℎ 𝑓 𝑑𝑒𝑒 𝑡𝑦𝑞𝑢𝑎𝑛𝑡𝑖 𝑘𝑔 / 𝑤𝑒𝑖𝑔ℎ𝑡 𝑔𝑎𝑖𝑛 𝑔   (1) %/𝑑𝑎𝑦 𝑙𝑛𝑊 𝑊 / 𝑡 100  (2) with: Wt = final biomass (kg), W0 = initial biomass (kg), and t = time in days.  𝑙𝑛 𝑆𝐺𝑅 𝑘 AgriEngineering 2021, 4, 6  97  𝐶 100 / 𝐿   (3) with: W = fish weight (g), and L= fish length (cm).  𝐺 𝑡ℎ 𝑓 𝑖𝑠ℎ ℎ𝑡 𝑐𝑙𝑎𝑠𝑠 𝑥 % – 𝐼 100 / 𝐼   (4) with: Fx = final weight, fish weight class x, and Ix = initial weight, fish weight class x.  The following parameters of fish growth were statistically analyzed in triplicates by  comparison of mean values: initial and final fish length (cm), initial and final fish weight  (g), initial and final tank mass (kg), growth per tank (%), condition factor, specific growth  rate (SGR), and the feed conversion ratio (FCR).  The collected datasets were processed using Microsoft Excel  [36] and statistically  analyzed using the SPSS  23 software package [37]. If the data were normally distributed,  a one‐way  analysis  of variance (ANOVA)  was  used.  If  variance  homogeneity  was  ob‐ served, multiple mean comparisons were performed post‐hoc using the Tukey HSD (Hon‐ estly Significant Difference) test. The Dunnett T3 test was used for variance‐inhomogene‐ ous datasets. If the data were not normally distributed, the nonparametric Kruskal–Wallis  test was used. All tests were performed with a significance level of p < 0.05.  3. Results  3.1. Fish Growth  At the beginning of the experiment, the fish weight classes had an initial length of  55.76 cm (class 1, large fish), 43.39 cm (class 2, medium fish), and 35.51 cm (class 3, small  fish), and the final lengths were 56.90, 48.31, and 39.92 cm. The final length of fish weight  class 1 was significantly different (p = 0.001) to the final lengths of weight classes 2 and 3  (Table 1). Regarding the initial weights (1310.09, 623.74, and 297.13 g) and final weights of  the fish (1395.30, 702.22, and 377.81 g), all fish showed small growth rates and the weight  classes (1, 2, 3) were significantly different.  With an initial tank mass of 81.27 kg and a final tank mass of 90.45 kg, weight class 2  (medium fish) achieved the highest growth per tank with 9.18 kg. Weight class 1 (large  fish) had an increase of 8.83 kg and reached 161.66 kg (initial mass: 152.38 kg, Table 1).  Weight class 3 (small fish) had an average increase of 8.71 kg and reached 46.34 kg (initial  mass: 37.63 kg). Overall, there were no significant differences between the three weight  classes in growth per tank. In terms of percentage growth per tank, weight class 1 (5.80%)  and class 2 (11.29%) differed significantly from weight class 3 (23.19%).  Table 1. Mean (± standard deviation (SD)) of the biological growth parameters of African catfish in different weight classes  (class 1 = large fish, class 2 = medium fish, class 3 = small fish) held in the intensive aquaculture unit (IAU) during basil  cultivation (36 days) under reduced feeding (25%). Different letters show different groups (p < 0.05).  1  1  1  Parameters  Weight Class 1  Weight Class 2  Weight Class 3  P‐I  P‐II  P‐III  a,2 b c Fish initial length (cm)  55.76 ± 4.90    43.39 ± 2.99    35.51 ± 2.18    0.001  0.001  0.001  a b b Fish final length (cm)  56.90 ± 2.54    48.31 ± 2.57    39.92 ± 2.96    0.001  0.038  0.078  a b c Fish initial weight (g)  1310.09 ± 29.00    623.74 ± 14.90    297.13 ± 6.52    0.001  0.001  0.001  a b c Fish final weight (g)  1395.30 ± 15.32    702.22 ± 12.54    377.81 ± 7.73    0.001  0.001  0.001  a b c Tank initial mass (kg)  152.83 ± 2.64    81.27 ± 0.37    37.63 ± 0.87    0.001  0.001  0.001  a b c Tank final mass (kg)  161.66 ± 1.80    90.45 ± 2.55    46.34 ± 0.44    0.001  0.001  0.001  a a a Growth per tank (kg)  8.83 ± 3.48    9.18 ± 2.53    8.71 ± 0.62    0.984  0.998  0.973  b b a Growth per tank (%)  5.80 ± 2.37    11.29 ± 3.11    23.19 ± 2.10    0.087  0.003  0.001  3 a ab b Feed conversion ratio (FCR)    2.40 ± 0.85    1.43 ± 0.45    0.94 ± 0.07    0.161  0.042  0.561  3 b b a Specific growth rate (%/day)    0.16 ± 0.06    0.30 ± 0.08    0.58 ± 0.05    0.080  0.001  0.004    a a a Condition factor (C) 0.70 ± 0.09    0.69 ± 0.09    0.67 ± 0.15    0.977  0.977  0.977  1  Significances, with P‐I = between fish weight class 1 and 2, P‐II = between weight class 1 and 3, P‐III = between weight  class 2 and 3,   Means in each row followed by the same superscript letters indicate no significant differences among the  fish growth parameters. Means with different letters are statistically different, in that the mean with the lower alphabetical  3  order letter (e.g., a > c) has a mean statistically greater than the mean it is compared to,  FCR and specific growth rate  based on tank biomasses: n = 3.  𝐹 𝑖𝑔𝑤𝑒 𝐺𝑟𝑜𝑤 𝑊 AgriEngineering 2021, 4, 6  98  The feed conversion ratio achieved the best value for the small fish (0.94), thus dif‐ fering  significantly  from  large  fish  (FCR:  2.40,  Table  1).  The  medium  fish  (FCR:  1.43)  showed no statistical difference to the other groups. For the specific growth rate, the small  fish again showed the best performance with 0.58%/day and differed significantly from  the large (0.16%/day) and medium fish (0.30%/day). The condition factor was not signifi‐ cantly different between the weight classes (p = 0.977) (class 1: 0.70, class 2: 0.69, and class  3: 0.67).  3.2. Plant Growth  The plants showed a typical exponential growth over the entire experiment. During  the experiment, there were no mortality losses among the plants. In the third week, indi‐ vidual plants from the grow pipes and raft systems showed slight deficiency symptoms  and lesions or necrosis on the lower leaf pairs. Table 2 shows the growth parameters of  the three subsystems.  Table 2. Ocimum basilicum growth parameters of wet and dry weights (means ± SD) and total weight parameters (sum of  all individual plant weights) of the three experimental groups (dynamic root floating technique (DRF), floating raft culture  (raft), grow pipes) at the end of the experiment (36 days). Different letters show different groups (p < 0.05, n = 21). Last  part of the table shows total and leaf mass of Ocimum basilicum (wet and dry) produced by one system over the entire  experiment period.  1 1 1 Growth Parameters  DRF  Raft  Grow Pipes  P‐I    P‐II    P‐III     a,2  b  b Total wet weight (g)  107.70 ± 34.03   82.02 ± 22.74   77.86 ± 23.93   0.006  0.002  0.755  3  a  a  a Total height   (cm)  108.41 ± 13.45   99.66 ± 10.80   106.20 ± 18.94   0.142  0.879  0.330   a  b  b Leaf mass wet weight (g)  45.36 ± 13.53   34.94 ± 9.44   32.74 ± 9.84   0.010  0.001  0.796   a  a  a Leaves (No.)  108.05 ± 47.43   83.81 ± 19.64   89.90 ± 26.84   0.152  0.152  0.152   a  b  b Shoot axis wet weight (g)  27.33 ± 10.11   18.42 ± 6.73   20.01 ± 7.29   0.002  0.022  0.424   a  b  a Shoot axis height (cm)  54.09 ± 8.86   46.78 ± 7.22   55.75 ± 10.65   0.010  0.520  0.001   a  a b  b Root wet weight (g)  35.00 ± 12.03   28.65 ± 7.69   25.11 ± 8.40   0.178  0.005  0.629   a  a  a Root length (cm)  54.32 ± 8.53   53.60 ± 10.00   50.46 ± 11.77   0.971  0.440  0.581  4    a  a  b   Leaf wet weight   (g) 1.84 ± 0.49   1.83 ± 0.38   1.53 ± 0.28   0.995  0.039  0.049 4    a  b  b Leaf length   (cm) 14.29 ± 1.62   13.12 ± 1.72   12.77 ± 1.25   0.043  0.006  0.744  4    a  ab  b Leaf width   (cm) 9.18 ± 1.33   8.50 ± 1.08   8.31 ± 1.06   0.147  0.049  0.869  3   a  a  a Leaf SPAD‐Value 29.76 ± 2.61   29.09 ± 2.67   28.63 ± 2.23   0.659  0.316  0.826  1 1 1 Dry Weight Parameters  DRF  Raft  Grow Pipes  P‐I    P‐II    P‐III     a  b  a b Total dry weight (g)  10.38 ± 3.44   8.07 ± 1.92   8.21 ± 2.35   0.034  0.064  0.996   a  b  b Leaf dry weight (g)  4.96 ± 1.57   3.74 ± 1.04   3.75 ± 1.22   0.009  0.009  0.999   a  b  b Shoot axis dry weight (g)  3.03 ± 1.33   1.90 ± 0.69   2.04 ± 0.80   0.019  0.033  0.833   a  a  a Root dry weight (g)  2.39 ± 0.81   2.44 ± 0.41   2.43 ± 0.44   0.994  0.997  0.999  Total Weight Parameters    DRF  Raft  Grow Pipes       Total wet weight (g)  2261.68  1722.31  1635.04 ‐  ‐  ‐  Total leaf wet weight (g)  952.66  733.77  687.50 ‐  ‐  ‐  Total dry weight (g)  218.06  169.55  172.36 ‐  ‐  ‐  Total leaf dry weight (g)  104.23  78.45  78.65 ‐  ‐  ‐   Significances, with P‐I = between DRF and raft, P‐II = between DRF and grow pipes, P‐III = between raft and grow pipes,   Means in each row followed by the same superscript letters indicate no significant differences among the plant growth  parameters. Means with different letters are statistically different, in that the mean with the lower alphabetical order letter  3  (e.g., a > b) has a mean statistically greater than the mean it is compared to,  Total height (cm) = Shoot axis height (cm) +  4 5 Root length (cm),   Measured on the leaf of the third upper shoot node,   Total weight parameters calculated as the sum of  all individual plants of the respective experimental group.  The basil total wet weight of the DRF with 107.70 g was significantly higher than that  of the plants in the other two subsystems (p < 0.05, Table 2). No statistical differences were  found in plants between the raft (82.02 g) and the grow pipes (77.86 g). Total height was    AgriEngineering 2021, 4, 6  99  not significantly different between plants of the DRF (108.41 cm), grow pipes (106.20 cm),  and raft hydroponic subsystems (99.66 cm). Leaf mass wet weight was significantly dif‐ ferent between the basil of the DRF with 45.36 g, and the raft (34.94 g) and grow pipes  (32.74 g). No significant differences were found in the number of leaves (no.) between the  subsystems. The shoot axis wet weight was significantly higher in the DRF system (27.33  g) compared with raft (18.42 g) and grow pipes (20.01 g), which were not statistically dif‐ ferent (p = 0.424). In the height of the shoot axis, the plants of the raft (46.78 cm) system  were significantly shorter than in the DRF (54.09 cm) and grow pipes (55.75 cm). Plants of  the DRF developed the highest root wet weight, although only slight rudiments of so‐ called “hair roots”, and in grow pipes, a slight brown coloring was visible (Figure 3).  Figure 3. Examples of basil plants at the end of the experiment from DRF (left), raft (middle), and  grow pipes (right).  At 35.00 g, the root wet weight in the DRF was significantly higher than in grow pipes  (25.11 g), but without a statistical difference to raft (28.65 g). Although the systems showed  significant differences in the root wet weights, there were no differences in root length.  The roots of the respective plants in the three hydroponic subsystems measured, on aver‐ age, 50.46–54.32 cm. The leaf wet weight was similar for DRF (1.84 g) and raft (1.83 g) and  each was significantly higher than grow pipes (1.53 g). Significance was also found be‐ tween  the  leaf  length  in  DRF  (14.29  cm)  compared  to  raft  (13.12  cm)  and  grow  pipes  (12.77 cm). In leaf width, the DRF and raft systems performed best (9.18 and 8.50 cm), in  contrast to the grow pipes (8.32 cm). SPAD values were not significantly different among  experimental groups. Figure 4 illustrates the evolution of basil leaf development with, on  average, higher leaf number increase in plants in DRF.    AgriEngineering 2021, 4, 6  100  Figure 4. Ocimum basilicum leaf number development per week in hydroponic subsystems DRF,  raft, and grow pipes during the experiment over a period of 36 days.  The total dry weight was significantly higher in DRF and grow pipes (10.38 and 8.21  g) compared with that of the raft plants (8.07 g), which was equal to the basil of the grow  pipes (Table 2). Leaf dry weight was highest in the DRF system (4.96 g), one third higher  (each p = 0.009) than in raft (3.74 g) and grow pipes (3.75 g). Shoot axis weight was signif‐ icantly heavier in DRF plants (3.03 g) compared with raft (1.90 g) and grow pipes (2.04 g).  Root dry weight was not significantly different between the experimental groups.  Total wet weight of basil plants (sum of individual plant weights) was highest in DRF  (2261.68 g, Table 2), followed by raft (1722.31 g) and grow pipes (1635.04 g), and total dry  weight was greater in DRF (218.06 g), followed by grow pipes (172.36 g) and raft (169.55  g). Total leaf wet weight was highest in plants of the DRF (952.66 g), followed by raft  (733.77 g) and grow pipes (687.50 g), and total leaf dry weight was best in DRF (104.23 g),  followed by grow pipes (78.65 g) and raft (78.45 g).  3.3. Physicochemical Parameters  Photosynthetic photon flux density (PPFD) was highest above the grow pipes (173.10  2 2 μm/m s,  Table  3)  and  significantly  different  to  raft  (157.92 μm/m s)  and  DRF  (155.83  μm/m s). The illuminance showed no statistical differences and varied in the systems from  985.00 to 1024.00 (lx (×10)).  Table 3. Means (±SD) of photosynthetic photon flux density (PPFD), illumination intensity (lx), and  physico‐chemical water parameters of the three subsystems measured in the sump of the three hy‐ droponic subsystems during basil cultivation (36 days).  1  1  1  Light Parameters  DRF  Raft  Grow Pipes  P‐I  P‐II  P‐III  2 2 b,3 b a PPFD   (μm/m s)  155.83 ± 32.29    157.92 ± 32.14    173.10 ± 22.40    0.404  0.001  0.002  a a a Light (lx (×10))  985.00 ± 116.70    1013.00 ± 93.40    1024.00 ± 161.30   0.063  0.063  0.063   Significances, with P‐I = between DRF and raft, P‐II = between DRF and grow pipes, P‐III = be‐ 2 3 tween raft and grow pipes,   PPFD = photosynthetic photon flux density,   Means in each row fol‐ lowed by the same superscript letters indicate no significant differences among the light parame‐ ters. Means with different letters are statistically different, in that the mean with the lower alpha‐ betical order letter (e.g., a > b) has a mean statistically greater than the mean it is compared to.  In the sump, the dissolved oxygen averaged 7.8 ± 0.4 mg/L and the oxygen saturation  100.5% ± 1.1%. The averaged pH‐value of 6.5 ± 0.1 remained constant during the experi‐ mental period. Temperature was relatively high at 28.0 ± 2.4 °C, and the average conduc‐ tivity was 2155.9 ± 238.5 μs/cm, redox potential 183.3 ± 20.1 mV, and salinity 1.0 ± 0.1‰.  At the beginning of the experiment, the conductivity was above 2500 μs/cm: it in‐ creased to over 2700 μS/cm in the second week, and then slowly decreased to 1862 μS/cm    AgriEngineering 2021, 4, 6  101  (Figure 5). The initial water temperature was 31.3 °C and reached the maximum value of  34.4 °C in the first third of the experiment, and then decreased constantly to about 26 °C  until the end of the study, with a mean of 28 ± 2.4 °C (Figure 5). The room temperature  averaged 23.8 °C (min 18.2 °C, max 40.0 °C), and the average room humidity was 52.8%  (min 15.6%, max 79.7%).  Figure 5. Electrical conductivity (μs/cm) and water temperature (°C) over the experimental period.  The chemical water parameters were measured in the middle of the pump sump from  which the process water was transferred into specific hydroponic subsystems to maintain  homogeneous nutrient conditions. The mean concentration of nitrate‐nitrogen (NO₃ ‐N)  was 204.47 ± 47.98 mg/L and nitrite‐nitrogen (NO₂ ‐N) was 0.06 ± 0.08 mg/L, resulting in  a total of 204.53 ± 47.97 mg/L total oxidized nitrogen (TON) in the process water. The  ammonium nitrogen (NH4 ‐N) had an average concentration of 0.19 ± 0.12 mg/L, resulting  in an average concentration of 204.72 ± 48.02 mg/L of total dissolved nitrogen (TDN). The  3− remaining average concentrations were as follows: orthophosphate (PO₄ ‐P) 4.71 ± 2.88  mg/L, potassium (K⁺) 14.67 ± 3.20 mg/L, magnesium (Mg²⁺) 24.93 ± 3.79 mg/L, calcium  (Ca²⁺) 291.69 ± 56.66 mg/L, iron (Fe²⁺) 0.02 ± 0.01 mg/L, and sulphate (SO₄³⁻) 42.60 ± 7.13  mg/L.  4. Discussion  4.1. Fish Growth  The  growth  performance  of  C.  gariepinus  was  satisfactory  over  the  entire  experi‐ mental period, and the FCR values of 0.94, 1.43, and 2.40 (small, medium, and large fish)  were as expected, under consideration of the reduced feeding rate of 25%. Depending on  the weight of fish, stocking density, feed quantity, and feed composition, FCR values of  0.61–2.69 were recorded in previous studies, with younger fish regularly performing bet‐ ter [38–40]. A similar study achieved FCR values of 0.97, 1.23, and 2.69, where also 25% of  the recommended amount of a commercial feed was fed, and thus a large part of the feed  energy was used for basal metabolism and not for growth [40]. High feed conversion ra‐ tios of the African catfish, such as FCR 0.74, 0.84, and 0.91 [14], and 0.72, 0.87, and 0.97  [41], have been reached at 80% of the maximum recommended feed amount. However,  the 25% feeding was sufficient in this experiment to produce stable water conditions for  the aquaponics plant production and an EC (Electric Conductivity) value of over 2000  μS/cm. Feed restriction resulted in a deterioration in FCR, particularly in large fish, since  larger catfish require much more energy for their basal metabolism, in relative terms, than  small fish [16].  The same explanation can be used for the specific growth rate. At 0.58%, 0.30%, and  0.16%/day (small, medium, and large fish), the results showed the expected values based    AgriEngineering 2021, 4, 6  102  on the limited feeding rate. At 80% feeding, SGR values of 3.23%, 1.50%, and 0.90%/day  can be expected [14]. The small‐ and medium‐sized fish had, on average, five times and  the large fish three times the daily growth rate, with 80% and 25% feeding, respectively.  An SGR of 1.80%/day was recorded over a total production period of 204 days under in‐ tensive production conditions [38]. If an aquaponic farm aims to succeed economically  mainly through plant production, it is reasonable, as can be seen in the present experi‐ ment, to reduce the feed input to 25% of the recommended feed rate and still provide the  fish with sufficient feed to produces adequate EC values for the plants. However, if the  aquaponics is also designed to operate profitably in its aquaculture section, it is still ad‐ vised not to use too low feeding rates or stocking densities that prohibit adequate fish  growth.  4.2. Physio‐Chemical Parameters  The physical and chemical water parameters were sufficient for adequate growth of  O. basilicum at recommended levels of pH of 5.5–6.5 [26]. The mean photosynthetic photon  flux density (PPFD) of 162.3 ± 9.4 μmol/m s was suboptimal and 67.5% lower than the  recommended 500 μmol/m s [42] for highest edible biomass production of sweet basil.  The highest radiation measured was above the grow pipe system, with the 173.2 μmol/m s  obviously influenced by local weather variations of light incidence. However, since the  grow pipes had the lowest total fresh mass and no statistical differences were found in the  light intensity (lx), the slightly differing light parameters were not the decisive factors for  the observed growth differences of the basil plants.  The water temperature of 28 °C was higher than the recommended 20–25 °C for basil  cultivation [12,26,43]. In the first third of the experiment, the temperature increased to the  maximum value of 34.4 °C, which is significantly above the recommended maximum of  30 °C [26]. This might have negatively influenced the growth of basil in all three subsys‐ tems. However, the “dynamic root floating technique (DRF)” was developed for hydro‐ ponic cultivation under tropical conditions with very high temperatures and humidity in  Taiwan [30]. At a lower temperature of 25 °C, no significant differences were found in  vegetable fresh weight between DRF, Nutrient Film Technique (NFT), and Deep Flow  Technique (DFT); however, with an increase in water temperature to almost 35 °C, a sig‐ nificant decrease of root activity in NFT and DFT was observed, in contrast to the rela‐ tively higher fresh biomass in the DRF system [30]. In the present study, the significantly  better weight of basil in the DRF system might be explained by the high water tempera‐ tures during the summer season and the presence of the specific DRF‐aero‐space. The ox‐ ygen concentration of the nutrient solution decreases with increasing water temperatures  [44], and the respiration rate of the roots and the uptake of water and mineral nutrients  decreases [45], resulting in reduced plant growth. In the nutrient solution, oxygen stress  caused by high temperatures can produce a brown discoloration of the roots [30]. The  oxygen content in our study was generally high with a saturation level of 100.5% (7.8  mg/L), with the expectation of uniform plant growth in all subsystems. However, the color  of the roots was different with a lighter shade in DRF (Figure 3). In contrast, the coloration  inside the grow pipes was brown, and they had a lower wet weight. DRF seemed to pro‐ mote plant growth through the specific air space, as well as the increase in humidity inside  the channel to form aero roots. At the higher temperatures of the present study, the DRF  subsystem still provides enough oxygen supply, resulting in improved plant growth.  The mean conductivity level of 2155.9 ± 238.5 μS/cm was much higher than already  reported for aquaponic plant production, from 300 to 600 μS/cm [46]. Optimum EC levels  for basil cultivation in hydroponics under use of mineral fertilizer also differs, ranging  from 1000 to 1600 μS/cm [47], and 2800 to 3100 μS/cm [48]. With the same experimental  design and a lower mean EC level (1619.4 ± 205.6 μS/cm), basil shoot axis height (plant  height  above  ground  after  35  days)  was  higher  and  leaf  numbers  were  substantially  greater in growth pipes, raft, and gravel substrate ebb‐and‐flood hydro‐components [14].    AgriEngineering 2021, 4, 6  103  The lower number of leaves and lower root weights in the present study could be influ‐ enced by the type of feed (Coppens Special Pro EF) and specific nutrient/mineral compo‐ sition, as well as by the decreasing EC value, which in the previous study steadily in‐ creased when fed with an alternative feed (Skretting ME‐4.5 Meerval 44‐14 [14]).  The proportions of nitrogen corresponded to hydroponic nutrient solutions for basil  production [11], while phosphate and potassium were also lower in comparison to aqua‐ ponic nutrient solutions [49]. Hydroponics nutrient solutions usually contain six essential  nutrients, N, P, K, Ca, Mg, and S, which must be available in the correct ion ratios for  optimal plant growth [50]. In hydroponic sciences, there are several formulations of nu‐ trient solutions, which range in mg/L: N 170–235, P 30–60, K 150–300, Ca 160–185, Mg 35– 50, and S 50–335 [50]. For basil cultivation with soil, a wide range is given for N (104–200  kg/ha), P (12–100 kg/ha), and K (73–120 kg/ha); in some areas in the USA, even an NPK  ratio of 1:1:1 is given [51]. Assuming an optimum of 2800 μS/cm for hydroponic basil cul‐ tivation,  the  chemical  composition  of  this  nutrient  solution  should  be  as  follows  (rounded): nitrogen 220 mg/L, phosphorus 62 mg/L, potassium 262 mg/L, calcium 192  mg/L, magnesium 73 mg/L, sulfur 106 mg/L, and iron 1.95 mg/L [48]. The average con‐ centrations measured in the present study at a 25% feeding rate were: Total Dissolved  Nitrogen  (TDN)  204.53  mg/L,  phosphorus  4.71  mg/L,  potassium  14.67  mg/L,  calcium  291.69 mg/L, magnesium 24.93 mg/L, sulfur 14.22 mg/L, and iron 0.02 mg/L. Thus, only  nitrogen was close to the optimal range and calcium was approximately 50% higher. The  magnesium concentration was about 37%, sulfur about 16%, phosphorus and potassium  were less than 8%, and iron was only about 1% of the optimal concentration. Yellow col‐ oring of the leaves (while the leaf‐veins remained green), which is typical due to the strong  iron deficiency, and even necrosis were observed early in this experiment. The process  water produced by the fish production was sufficient for plant growth, but it can be as‐ sumed that the overall growth performance of the plants in all three subsystems was neg‐ atively affected by nutrient deficiencies [52].  4.3. Plant Growth  During the experimental period from 18 June to 23 July 2019, the plants from three  subsystems showed several differences in their growth parameters, implying that growth  and development were strongly influenced by the hydroponic components. A total of 16  growth parameters were compared. The DRF subsystem performed best in 14 of them.  Eleven of these sixteen parameters differed significantly from raft and/or grow pipes (p <  0.05).  4.3.1. Leaf Development  The leaf numbers between 83.81 and 108.05 were not significantly different between  the hydroponic subsystems (DRF = raft = grow pipes, Table 2). This is in accordance with  a former study of basil cultivation with no significant differences in the number of leaves  between grow pipes and raft hydroponics and the production of C. gariepinus under de‐ coupled aquaponic conditions [14]. In hydroponics, a seven‐week trial produced the most  leaves (119.41 leaves/plant), highest leaf fresh weight (64.09 g), and dry weight (6.03 g) at  3 − + an N:P:K ratio of 10:1:10 mol/m , with an NO3 /NH4  molar ratio of 1:0 [53]. A similar  growth performance would have been expected with a two‐week longer growth period  in this experiment. In another study with different algal extract treatments, the best treat‐ ments only produced 91.3 leaves/plant in 12 weeks [54]. These plants, grown in culture  substrates, were fertilized with Osmocote Plus (14:13:13 N, P, K +microelements) (2 g/L  substrates) and grew at a photosynthetically active radiation of 1000 μmol/m s [54]. In  contrast,  an  aquaponic  42‐day  experiment  produced  an  average  of  508.93  ±  13.27  leaves/plant, which is significantly higher than the results of the earlier studies [14]. A    AgriEngineering 2021, 4, 6  104  N:P:K ratio of 106.8:9.4:60.6 mg/L, combined with the advantages of the beneficial bacte‐ rial communities in aquaponic systems, may have led to this extraordinary growth per‐ formance [14,55].  With the same experimental design and the cultivation of spearmint (Mentha spicata),  the grow pipes and raft showed higher numbers of leaves (grow pipes: 639.7, raft: 532.2)  in contrast to the lowest leaf number in the DRF system (482.3) [41]. These contrasting  results from the present study might have been influenced by the different cultivation  temperatures: the DRF system was originally designed for tropical regions in Asia and  higher temperatures, where oxygen saturation and root activity in raft and NFT systems  decrease [30]. The water temperature of the experiment with M. spicata was 3.3 °C lower  (24.7 ± 0.1 °C [41]), and the benefits of oxygen saturation were still present in grow pipes  and raft. At temperatures below 28 °C, as seen in the present study, the DRF system does  not seem to be advantageous for plant cultivation due to lower leaf numbers in the pro‐ duction  of  M.  spicata  [41].  In  northern  regions  such  as  Germany  (Mecklenburg‐Vor‐ pommern), the DRF should only be used in summer to avoid temperature fluctuations  and low humidity in the aerospace of the DRF system. The application of only one crop‐ ping cycle for the DRF system, from June to September, is recommended, in contrast to  the two cropping cycles in tropical regions of Asia from April to October and October to  March [30]. Under semi‐natural cultivation conditions, a summer cropping period seems  to be ideal. However, the adaptation of DRF use in tropical greenhouses under aquaponic  conditions worldwide is a future challenge.  The DRF system showed a significantly  higher leaf wet (45.36 ± 13.53 g) and dry  weight (4.96 ± 1.57 g) than raft (34.94 ± 9.44 g; 3.74 ± 1.04 g) and grow pipes (32.74 ± 9.84  g, 3.75 ± 1.22 g; DRF > raft = grow pipes, Table 2), and the leaf length was highest in DRF  (14.29 ± 1.62 cm; DRF > raft = grow pipes). Leaf width was also highest (9.18 ± 1.33 cm)  and comparable to raft (8.50 ± 1.08 cm; DRF > grow pipes, Table 2). Under the same envi‐ ronmental  conditions,  DRF  appears  economically  attractive  as  it  produced  about  30%  more  leaf  fresh  and  dry  biomass.  Consequently,  the  dynamic  root  floating  technique  (DRF) must not be omitted from aquaponics gardening production methods in northern  latitudes [38].  4.3.2. Plant Biomass Development  O.  basilicum  biomass  development  was  significantly  higher  in  DRF  in  total  wet  (107.70 ± 34.03 g) and dry weight (10.38 ± 3.44 g), as well as in shoot axis wet and dry  weight (27.33 ± 10.11 g, 3.03 ± 1.33 g), compared with raft (82.02 ± 22.74 g, 8.07 ± 1.92 g,  18.42 ± 6.73 g, 1.90 ± 0.69 g) and grow pipes (77.86 ± 23.93 g, 8.21 ± 2.35 g, 20.01 ± 7.29 g,  2.04 ± 0.80 g; DRF > raft = grow pipes, Table 2). With 2261.68 g total mass and 952.66 g leaf  mass, DRF performed 30% better than raft and grow pipes. With 218.06 g total dry mass,  the DRF system produced about a quarter more mass than the other two systems, and  with 104.23 g dry leaf mass, about a third more (Table 2). Literature on comparative stud‐ ies with hydroponic subsystems and DRF are scarce. An aquaponic comparison with Nile  tilapia and Pak choi (Brassica rapa chinensis) in raft and DRF showed no significant differ‐ ences for plant yield, under a pH of 8.7 (DRF) to 8.8 (raft) and a conductivity (μS/cm) of  1005  and  975,  not  suitable  for  Pak  choi  cultivation  [33].  In  hydroponics,  a  better  basil  growth performance (fresh weight, dry weight, and height) was reported in raft (or DFT)  compared with a conventional NFT system with a rectangular profile [43]. In a former  experiment  under  decoupled  aquaponics  in  grow  pipes  and  raft,  basil  wet  (382.8  g,  360.8 g) and dry weight (36.6 g, 35.7 g) were also not significantly different. However, wet  weight values for grow pipes were 4.92‐fold higher and raft values 4.40‐fold higher than  in the present study (dry weights grow pipes: 4.46‐fold higher, raft: 4.42‐fold higher) [14].  With the use of an alternative fish feed (Skretting ME‐4.5 Meerval [14]) and different nu‐ trient ratios, basil developed a higher biomass. This was despite a lower EC value of 1619.4  μS/cm, twice as much phosphorus, and four times as much potassium inside the process  water. This resulted in an N:P:K ratio that was significantly closer to the proposed ratios    AgriEngineering 2021, 4, 6  105  for hydroponic cultivation [48,50]. A deficiency of essential nutrients may have resulted  in deterioration in the development of leaves and biomass [56].  Better biomass development of basil [14] might have been influenced by the method  of plant transplantation during the first stages of development. High growth performance  of O. basilicum was observed after plants were brought into the system three weeks after  sowing, with 6–8 leaves and 4 cm shoot axis height ([57], Pribbernow, pers. comm., 2020).  Most studies indicate that basil seedlings are transplanted into the experimental systems  2–3 weeks after sowing, or with 1–3 true, fully expanded leaf pairs [12,58,59]. Young basil  plants in the present study were planted in hydroponic subsystems with equal 4 cm shoot  heights. However, only one pair of true leaves occurred, and thus, a lower leaf mass as  the most relevant photosynthetic organ was present. This might have been caused by con‐ tamination of the seed material but also by adaptation of light [60] and heat [61]. The fur‐ ther development of the plants was thus inhibited and delayed, which could explain the  basil’s relatively low biomass and leaf development.  4.3.3. Root Development  The wet weight of the roots was best in DRF (35.00 g) and raft (28.65 g), whereas the  wet weight between the roots of the grow pipes (25.11 g) was not significantly different  compared with raft (DRF = raft, raft = grow pipes; Table 2). The dry weight of the roots  showed no differences between the hydroponic subsystems (DRF = raft = grow pipes) and  exhibited comparable root development. In general, the DRF system was developed to  stabilize  the  production  of  leafy  vegetables  during  the  monsoon  season,  when  plant  growth in NFT and raft deteriorated, and root activity was significantly reduced by oxy‐ gen depletion at higher temperatures [30]. In the DRF system, root activity is maintained  at high temperatures by the development of additional hair roots or “aero roots” that oc‐ cupy the air space above the water [30]. The two root types, aero roots and nutrient roots  [30], were beneficial in the DRF system and promoted biomass development compared  with plant culture in the raft system and growth pipes. In contrast, mint (Mentha spicata)  production in decoupled aquaponics at lower temperatures (25.64 ± 1.91 °C) and humidity  showed a lignification of aerial roots with a brown coloration [41]. The growth perfor‐ mance of mint was significantly lower in DRF compared with grow pipes, and root dry  weights were not significantly different between DRF, raft, and grow pipes [41]. Thus,  advantageous  DRF  hydroponics  was  seen only at  high  temperatures  above  30 °C and  should be used at northern latitudes only during the hot summer season when the oxygen  content in the process water of comparable systems, such as raft and grow pipes, becomes  suboptimal.  4.3.4. Plant Height Development  Total plant height was comparable between the hydroponic subsystems and not sig‐ nificantly different (DRF = raft = grow pipes; Table 2). However, height of the shoot axis  was significantly higher in the plants in both DRF (54.09 ± 8.86 cm) and grow pipes (55.75  ± 10.65 cm), followed by raft (46.78 ± 7.22 cm; DRF = grow pipes > raft). With the same  experimental design, basil showed higher shoot axis heights above‐ground in grow pipes  (79.7 ± 8.1 cm) and raft (84.9 ± 10.3 cm) after 35 days [14]. In contrast to our study, the  potassium availability was four‐fold higher [14], the plants were transplanted into the  system one week later with a higher leaf development, and artificial lighting was used  during  the  growth  period  [14,57].  Compared  to  conventional  basil  cultivation,  plant  height (shoot axis) in the present study was lower, as described with heights ranging be‐ tween 75 and 95 cm, but at a growing period of 120 days from sowing to transplanting to  the fields (30 days) to maturity (85–90 days) [62]. In hydroponics, the shoot axis height  was higher by about 74 cm, after 70 days and an EC value of 640 μS/cm [63]. In contrast,  basil plants were only 46.4–49.2 cm tall after 12 weeks when algae extracts were provided  as fertilizer [54]. At a comparable growth time of 8 weeks (3 weeks from sowing until    AgriEngineering 2021, 4, 6  106  transplanting + 5 weeks of growth), plant heights of approximately 45 cm were deter‐ mined in an aquaponic raft system during an interim evaluation, while basil grown in a  hydroponic raft system only reached about 28 cm at this time (calculated from original  data of Figure 2) [12]. At high EC values of 5000 and 10,000 μS/cm and a growth time of  70 days, shoot heights of approximately 62 and 49 cm were measured, also in hydroponics  with arbuscular mycorrhizal fungi inoculations [63]. Summarizing the above and under  consideration that the plant height during the present study was assessed after a short  growth period (15 days sowing to transplanting + 36 days growth), basil growth, espe‐ cially inside the DRF and grow pipes, performed moderately.  5. Conclusions  O. basilicum showed adequate growth performance in a decoupled aquaponic system  rec‐ design, by using aquaculture effluents of C. gariepinus cultivation under 25% of the  ommended feed input. High water temperatures of 28 ± 2.4 °C and nutrient concentrations  at a mean conductivity level of 2155.9 ± 238.5 μS/cm were not optimal for basil production,  limiting the plant growth. The dynamic root floating technique performed significantly  better in 11 (total wet weight, leaf mass wet weight, shoot axis wet weight, shoot axis  height, root wet weight, leaf wet weight, leaf length, leaf width, total dry weight, leaf dry  weight, and shoot axis dry weight) of 16 O. basilicum growth parameters than raft or grow  pipes (DRF > raft = grow pipes). Total biomass production was highest in plants cultured  in DRF in wet and dry weight (2261.68 g, 218.06 g) compared with raft (1722.31 g, 169.55  g) and grow pipes (1635.04 g, 172.36 g). In comparison to earlier studies, the nutrient con‐ centration ratio in the process water was suboptimal. In particular, the lack of potassium,  phosphorus, and iron must have reduced plant growth. For better plant performance un‐ der low feed input and high water temperatures, partial fertilization or a feed with a dif‐ ferent nutrient composition should be considered. The high water temperatures of up to  34.4 °C resulted in reduced root activity in raft and grow pipes and thus, reduced biomass.  Aero roots in the DRF were also poorly developed, but still better than in both other sam‐ pled subsystems. Consequently, the DRF can be recommended for summer basil produc‐ tion in northern latitudes under glasshouse conditions when the water temperatures reach  above 28 °C.  Author Contributions: All authors contributed to several aspects of the study, specifically, con‐ ceptualization: J.P., U.K., S.A. and H.W.P; methodology: J.P., B.R. and U.K.; software: J.P., B.R. and  U.K.; validation: J.P., B.R., U.K., S.A. and H.W.P.; formal analysis: J.P., B.R., U.K., S.A. and H.W.P.;  investigation: U.K. and J.P.; resources: J.P. and B.R.; data curation: J.P., B.R., U.K., S.A. and H.W.P.;  writing—original draft preparation: J.P., U.K., S.A. and H.W.P.; writing—review and editing: J.P.,  B.R., U.K., S.A. and H.W.P.; visualization: J.P.; supervision: U.K., H.W.P and S.A.; project admin‐ istration: H.W.P and U.K.; funding acquisition: H.W.P. and U.K. All authors have read and agreed  to the published version of the manuscript.  Funding: We thank the Ministry of Agriculture, Environment and Consumer Protection of Meck‐ lenburg‐Western Pomerania (Germany), the European Union and EIP‐AGRI operational groups for  supporting research in aquaponics (‘Aquaponik in MV’, BNRZD: 13 903 000 0103; WM‐EIP‐0007‐ 15). This project was funded through the project “Performance and process water management in  commercial (integrated) aquaculture systems with African catfish (Clarias gariepinus) in Mecklen‐ burg‐Western Pomerania” (MV‐II.1‐LM‐007, European Union 75%). This project was also funded  by the Ph. D Scholarship Programme “Unsere Besten promovieren in Rostock” from the University  of Rostock. We acknowledge financial support from Deutsche Forschungsgemeinschaft and Uni‐ versität Rostock within the funding programme Open Access Publishing.  Institutional Review Board Statement: Not applicable.  Informed Consent Statement: Not applicable.  Data Availability Statement: The authors follow MDPI´s Data Availability Statement.  Conflicts of Interest: The authors declare no conflict of interest.     AgriEngineering 2021, 4, 6  107  References  1. Palm, H.W.; Knaus, U.; Appelbaum, S.; Goddek, S.; Strauch, S.M.; Vermeulen, T.; Jijakli, M.H.; Kotzen, B. Towards commercial  aquaponics: A review of systems, designs, scales and nomenclature. Aquac. Int. 2018, 26, 813–842.  2. Maucieri, C.; Nicoletto, C.; van Os, E.; Anseeuw, D.; Van Havermaet, R.; Junge, R. Chapter 4. Hydroponic Technologies. In  Aquaponic Food Production Systems; Goddek, S., Joyce, A., Kotzen, B., Burnell, G., Eds.; Springer International Publishing: Basel,  Switzerland, 2019; pp. 77–110.  3. Love, D.C.; Fry, J.P.; Li, X.; Hill, E.S.; Genello, L.; Semmens, K.; Thompson, R.E. Commercial aquaponics production and prof‐ itability: Findings from an international survey. Aquaculture 2015, 435, 67–74.  4. Engle, C.R. Economics of Aquaponics, SRAC‐5006; Oklahoma State University: Stillwater, OK, USA, 2016, p. 4.  5. Espinosa‐Moya, A.; Álvarez‐González, A.; Albertos‐Alpuche, P.; Guzmán‐Mendoza, R.; Martínez‐Yáñez, R. Growth and devel‐ opment of herbaceous plants in aquaponic systems. Acta Univ. 2018, 28, 1–8.  6. Rakocy, J.E. Aquaponics: Integrating fish and plant culture. In Aquaculture Production Systems; Tidwell, J.H., Ed.; Wiley‐Black‐ well: Oxford, UK, 2012; pp. 344–386.  7. Chalchat, J.C.; Özcan, M.M. Comparative essential oil composition of flowers, leaves and stems of basil (Ocimum basilicum L.)  used as herb. Food Chem. 2008, 110, 501–503.  8. Ahmed, E.A.; Hassan, E.A.; Tobgy, K.M.; Ramadan, E.M. Evaluation of rhizobacteria of some medicinal plants for plant growth  promotion and biological control. Ann. Agric. Sci. 2014, 59, 273–280.  9. Nguyen, P.M.; Kwee, E.M.; Niemeyer, E.D. Potassium rate alters the antioxidant capacity and phenolic concentration of basil  (Ocimum basilicum L.) leaves. Food Chem. 2010, 123, 1235–1241.  10. Al‐Maskari, M.Y.; Hanif, M.A.; Al‐Maskri, A.Y.; Al‐Adawi, S. Basil: A natural source of antioxidants and neutraceuticals. In  Natural Products and Their Active Compounds on Disease Prevention; Mohamed Essa, M., Ed.; Nova Science Publishers Inc.: New  York, NY, USA, 2012; pp. 463–471.  11. Succop, C.E.; Newman, S.E. Organic fertilization of fresh market sweet basil in a greenhouse. HortTechnoloy 2004, 14, 235–239.  12. Saha, S.; Monroe, A.; Day, M.R. Growth, yield, plant quality and nutrition of basil (Ocimum basilicum L.) under soilless agricul‐ tural systems. Ann. Agric. Sci. 2016, 61, 181–186.  13. Ferrarezi, R.S.; Bailey, D.S. Basil performance evaluation in aquaponics. HortTechnology 2019, 29, 85–93.  14. Knaus, U.; Pribbernow, M.; Xu, L.; Appelbaum, S.; Palm, H.W. Basil (Ocimum basilicum) Cultivation in Decoupled Aquaponics  with Three Hydro‐Components (Grow Pipes, Raft, Gravel) and African Catfish (Clarias gariepinus) Production in Northern Ger‐ many. Sustainability 2020, 12, 8745.  15. Rakocy, J.E.; Bailey, D.S.; Shultz, R.C.; Thoman, E.S. Update on tilapia and vegetable production in the UVI aquaponic system.  In New Dimensions on Farmed Tilapia, Proceedings of the 6th International Symposium on Tilapia in Aquaculture Philippine International  Convention, Manila, Philippines, 12–16 September 2004; Bolivar, R., Fitzsimmons, K.M., Mair, G.C., Eds.; FAO: Rome, Italy, 2004;  pp. 12–16.  16. Palm, H.W.; Bissa, K.; Knaus, U. Significant factors affecting the economic sustainability of closed aquaponic systems. Part II:  Fish and plant growth. Aquac. Aquar. Conserv. Legis. 2014, 7, 162–175.  17. Knaus, U. Wachstum Verschiedener Fisch—und Pflanzenarten und Deren Auswirkungen auf Die Chemisch‐Physikalischen  Parameter in geschlossenen Warmwasser‐Aquaponiksystemen. Ph.D. Thesis, University of Rostock, Rostock, Germany, 2016.  18. Destatis  E2.  Betriebe  mit  Erzeugung  in  Aquakultur  sowie  erzeugter  Menge  im  Jahr  2019  nach  Art  der  Bewirtschaftung.  Afrikanischer  Raubwels.  In  Land  und  Forstwirtschaft,  Fischerei.  Erzeugung  in  Aquakulturbetrieben;  Fachserie  3,  Reihe  4.6;  Statistisches Bundesamt (Destatis): Wiesbaden, Germany, 2019; p. 13.  19. Fatollahi, M.; Kasumyan, A.O. The study of sensory bases of the feeding behavior of the African catfish Clarias gariepinus (Clar‐ iidae, Siluriformes). J. Ichthyol. 2006, 46, 161–172.  20. Oellermann, L.K. A Comparison of the Aquaculture Potential of Clarias gariepinus (Burchell, 1822) and Its Hybrid with Hetero‐ branchus longifilis Valenciennes, 1840 in Southern Africa. Ph.D. Thesis, Rhodes University, Makhanda, South Africa, 1995.  21. Huisman, E.A.; Richter, C.J.J. Reproduction, growth, health control and aquacultural potential of the African catfish, Clarias  gariepinus (Burchell 1822). Aquaculture 1987, 63, 1–14.  22. Baßmann, B.; Brenner, M.; Palm, H.W. Stress and welfare of African catfish (Clarias gariepinus Burchell, 1822) in a coupled aq‐ uaponic system. Water 2017, 9, 504.  23. Endut, A.; Lananan, F.; Abdul Hamid, S.H.; Jusoh, A.; Wan Nik, W.N. Balancing of nutrient uptake by water spinach (Ipomoea  aquatica) and mustard green (Brassica juncea) with nutrient production by African catfish (Clarias gariepinus) in scaling aquaponic  recirculation system. Desalination Water Treat. 2016, 57, 29531–29540.  24. Lennard, W.A.; Leonard, B.V. A comparison of three different hydroponic sub‐systems (gravel bed, floating and nutrient film  technique) in an aquaponic test system. Aquac. Int. 2006, 14, 539–550.  25. Zweig, R.D. An integrated fish culture hydroponic vegetable production system. Aquac. Mag. 1986, 12, 34–40.  26. Somerville, C.; Cohen, M.; Pantanella, E.; Stankus, A.; Lovatelli, A. Small‐scale aquaponic food production: Integrated fish and plant  farming. FAO Fisheries and Aquaculture Technical Paper No. 589; FAO: Rome, Italy, 2014; p. 262   27. Cooper, A. The ABC of NFT. Nutrient Film Technique; Grower Books: London, UK, 1979; p. 181.  28. Wattanapreechanon, E.; Sukprasert, P. Development of soilless culture for crop production in Thailand. Kasetsart J. 2012, 33,  475–485.    AgriEngineering 2021, 4, 6  108  29. Remy, M.; Singh, B.K.; Taylor, R. Evaluación de Dos Técnicas Hidropónicas Adaptadas Para las Condiciones del Trópico húm‐ edo. Bachelor’s Thesis, Universidad EARTH, San José, Costa Rica, 2005.  30. Kao, T.C.; Hsiang, T.; Changhua, R.O.C. The Dynamic Root Floating Hydroponic Technique: Year‐Round Production of Vegetables in  Roc on Taiwan; ASPAC Food & Fertilizer Technology Center: Taipei, Taiwan, 1991.  31. Silva, L.; Gasca‐Leyva, E.; Escalante, E.; Fitzsimmons, K.M.; Lozano, D.V. Evaluation of biomass yield and water treatment in  two aquaponic systems using the dynamic root floating technique (DRF). Sustainability 2015, 7, 15384–15399.  32. Pantanella, E. Aquaponics Production, Practices and Opportunities. In Sustainable Aquaculture, Applied Environmental Science and  Engineering for a Sustainable Future; Hai, F.I., Visvanathan, C., Boopathy, R., Eds.; Springer: Cham, Switzerland, 2018; pp. 191– 248.  33. Silva, L.; Valdés‐Lozano, D.; Escalante, E.; Gasca‐Leyva, E. Dynamic root floating technique: An option to reduce electric power  consumption in aquaponic systems. J. Clean. Prod. 2018, 183, 132–142.  34. Bione, M.A.A.; Paz, V.P.S.; da Silva, F.; Sartoratto, A.; Soares, T.M. Production of hydroponic basil essential oil with conventional  nutrient solution in brackish waters and organic nutrient solution. In Proceedings of the II Inovagri International Meeting,  Fortaleza, Brazil, 13–16 April 2014; pp. 438–448.  35. Putievsky, E.; Galambosi, B. Production systems of sweet basil. In Basil: The Genus Ocimum; Hiltunen, R., Holm, Y., Eds.; Har‐ wood Academic Publishers: Amsterdam, The Netherlands, 1999; pp. 39–65.  36. IBM. IBM SPSS Statistics for Windows, Version 23.0; IBM: New York, NY, USA, 2019.   ® ® 37. Microsoft . Microsoft Excel ; Microsoft: Redmond, WA, USA, 2010.  38. Palm, H.W.; Knaus, U.; Wasenitz, B.; Bischoff, A.A.; Strauch, S.M. Proportional up scaling of African catfish (Clarias gariepinus  Burchell, 1822) commercial recirculating aquaculture systems disproportionally affects nutrient dynamics. Aquaculture 2018,  491, 155–168.  39. Pantanella, E. Nutrition and Quality of Aquaponic Systems. Ph.D. Thesis. Universita degli Studi della Tuscia, Viterbo, Italy,  2012, pp. 55–77.  40. Zimmermann, J.  Vergleich des  Wachstums von  Marokkanischer  Minze (Mentha  spicata)  in  drei  verschiedenen Hydroponik  Subsystemen unter aquaponischer Produktion. Master′s Thesis, University of Rostock, Rostock, Germany, 2017.  41. Pasch,  J.  Einfluss  einer  Wurzel‐Belüftung  auf  das  Wachstum  der  Marokkanischen  Minze  (Mentha  spicata  L.)  bei  drei  verschiedenen Hydroponik‐Subsystemen unter aquaponischer Produktion. Master′s Thesis, University of Rostock, Rostock,  Germany, 2018.  42. Beaman, A.R.; Gladon, R.J.; Schrader, J.A. Sweet basil requires an irradiance of 500 μ mol∙ m− 2∙ s− 1 for greatest edible biomass  production. HortScience 2009, 44, 64–67.  43. Walters, K.J.; Currey, C.J. Hydroponic greenhouse basil production: Comparing systems and cultivars. HortTechnology 2015, 25,  645–650.  44. Wetzel, R.G. Limnology: Lake and River Ecosystems, 3rd ed.; Academic Press: San Diego, CA, USA, 2001; pp. 151–167.  45. Morard, P.; Lacoste, L.; Silvestre, J. Effect of oxygen deficiency on uptake of water and mineral nutrients by tomato plants in  soilless culture. J. Plant Nutr. 2000, 23, 1063–1078.  46. Rakocy, J.E.; Masser, M.P.; Losordo, T.M. Recirculating aquaculture tank production systems: Aquaponics—integrating fish  and plant culture. SRAC Publ. South. Reg. Aquac. Cent. 2006, 16, 454.  47. Sharma, N.; Acharya, S.; Kumar, K.; Singh, N.; Chaurasia, O.P. Hydroponics as an advanced technique for vegetable production:  An overview. J. Soil Water Conserv. 2018, 17, 364–371.  48. Morano, G.; Amalfitano, C.; Sellitto, M.; Cuciniello, A.; Maiello, R.; Caruso, G. Effects of nutritive solution electrical conductivity  and plant density on growth, yield and quality of sweet basil grown in gullies by subirrigation. Adv. Hortic. Sci. 2017, 31, 25–30.  49. Bittsanszky, A.; Uzinger, N.; Gyulai, G.; Mathis, A.; Junge, R.; Villarroel, M.; Kotzen, B.; Komives, T. Nutrient supply of plants  in aquaponic systems. Ecocycles 2016, 2, 17–20.  50. Trejo‐Téllez, L.I.; Gómez‐Merino, F.C. Nutrient solutions for hydroponic systems. Hydroponics A Stand. Methodol. Plant Biol. Res.  2012, 1–22, doi:10.5772/37578  51. Sharafzadeh, S.; Alizadeh, O. Nutrient supply and fertilization of basil. Adv. Environ. Biol. 2011, 5, 956–960.  52. López‐Millán, A.F.; Grusak, M.A.; Abadía, A.; Abadía, J. Iron deficiency in plants: An insight from proteomic approaches. Front.  Plant Sci. 2013, 4, 254.  53. Kiferle, C.; Maggini, R.; Pardossi, A. Influence of nitrogen nutrition on growth and accumulation of rosmarinic acid in sweet  basil (Ocimum basilicum L.) grown in hydroponic culture. Aust. J. Crop Sci. 2013, 7, 321–327.  54. Elansary, H.O.; Yessoufou, K.; Shokralla; S.; Mahmoud, E.A.; Skalicka‐Woźniak, K. Enhancing mint and basil oil composition  and antibacterial activity using seaweed extracts. Ind. Crops Prod. 2016, 92, 50–56.  55. Eck, M.; Sare, A.R.; Massart, S.; Schmautz, Z.; Junge, R.; Smits, T.H.M.; Jijakli, M.H. Exploring Bacterial Communities in Aqua‐ ponic Systems. Water 2019, 11, 260.  56. Janpen, C.; Kanthawang, N.; Inkham, C.; Tsan, F.Y.; Sommano, S.R. Physiological responses of hydroponically‐grown Japanese  mint under nutrient deficiency. PeerJ 2019, 7, e7751.  57. Pribbernow, M. (University of Rostock, Rostock, Germany); Knaus et al. (2020) [14]; Knaus, U. (University of Rostock, Rostock,  Germany); Xu, L. (University of Rostock, Rostock, Germany); Appelbaum, S. (Ben‐Gurion University of the Negev, Midreshet  Ben‐Gurion, Israel); Palm, H.W. (University of Rostock, Rostock, Germany); Personal communication, 2020.    AgriEngineering 2021, 4, 6  109  58. Dou, H.; Niu, G.; Gu, M. Pre‐harvest UV‐B radiation and photosynthetic photon flux density interactively affect plant photo‐ synthesis, growth, and secondary metabolites accumulation in basil (Ocimum basilicum) plants. Agronomy 2019, 9, 434.  59. Matsumoto, S.N.; Araujo, G.D.S.; Viana, A.E.S. Growth of sweet basil depending on nitrogen and potassium doses. Hortic. Bras.  2013, 31, 489–493.  60. Meng, Q.; Runkle, E.S. Far‐red radiation interacts with relative and absolute blue and red photon flux densities to regulate  growth, morphology, and pigmentation of lettuce and basil seedlings. Sci. Hortic. 2019, 255, 269–280.  61. Ramin, A.A. Effects of salinity and temperature on germination and seedling establishment of sweet basil (Ocimum basilicum  L.). J. Herbs Spices Med. Plants 2006, 11, 81–90.  62. Srivastava, R.K.; Kumar, S.; Sharma, R.S. Ocimum as a promising commercial crop. In The Ocimum Genome, Compendium of Plant  Genomes; Shasany, A.K., Kole, C., Eds.; Springer Nature: Cham, Switzerland, 2018; pp. 1–7.  63. Elhindi, K.M.; El‐Din, A.S.; Elgorban, A.M. The impact of arbuscular mycorrhizal fungi in mitigating salt‐induced adverse ef‐ fects in sweet basil (Ocimum basilicum L.). Saudi J. Biol. Sci. 2017, 24, 170–179. 

Journal

AgriEngineeringMultidisciplinary Digital Publishing Institute

Published: Feb 26, 2021

There are no references for this article.