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Unter dem optischen Mikroskop zeigt sich die wabenförmige Struktur der Kohlenstücke © ZFE
Unter dem optischen Mikroskop zeigt sich die wabenförmige Struktur der Kohlenstücke © ZFE

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Pflanzenkohle als Langzeitdünger

01.12.2017

Ein internationales Forscherteam unter der Leitung der Eberhard Karls Universität Tübingen untersucht, wie Pflanzenkohle als Basis für einen umweltfreundlichen Langzeitdünger nutzbar gemacht werden kann. Mitarbeiterinnen des ACR-Instituts ZFE fanden die Erklärung für relevante Mechanismen auf nanoskopischer Ebene.

Als grundlegender Rohstoff der Zivilisation war Holz- und Pflanzenkohle über Jahrhunderte hinweg nicht aus dem Alltag wegzudenken: vom Kochen über die Metallherstellung bis hin zur Bodenverbesserung. Verloren gegangenes traditionelles Wissen rund um Pflanzenkohle als Trägerstoff für Düngemittel wird in jüngster Zeit neu entdeckt. Interdisziplinäre Forschungsteams wollen die biologischen und chemo-physikalischen Abläufe bei der Verwendung von Pflanzenkohle (engl. biochar) besser verstehen und sie vor allem für die Landwirtschaft als umweltfreundlichen Langzeitdünger nutzbar machen, um so konventionelle Düngemittel, die die Treibhausgasproduktion antreiben und eine erhöhte Grundwasserbelastung zur Folge haben, langfristig ersetzen zu können.

Die Ausgangslage

Wird Pflanzenkohle, also verkohlte Biomasse, in Böden eingebracht, kann sie Wasser und Nährstoffe binden, Kohlenstoff dauerhaft speichern und so Ernteerträge deutlich erhöhen. Für die Landwirtschaft ist dieser Effekt derzeit kaum nutzbar, da das Wissen für die Produktion von marktfähigem Dünger fehlt. Bekannt ist, dass die Anwendung von Pflanzenkohle in kompostierter Form weit größere Effekte als unbehandelte Pflanzenkohle erzielt. In der aktuellen Studie untersuchte der Geoökologe Dr. Nikolas Hagemann unter der Leitung von Professor Andreas Kappler vom Zentrum für Angewandte Geowissenschaften der Universität Tübingen gemeinsam mit einem internationalen Forscherteam (16 Institute aus sieben Ländern), wie Pflanzenkohle den wichtigen Nährstoff Nitrat speichert. Die Forscher stellten fest, dass Pflanzenkohle Nährstoffe, die während er Kompostierung (durchgeführt vom Ithaka Institut in der Schweiz) freigesetzt werden, aufnimmt; ein Phänomen, für das auf makroskopischer Ebene keine Erklärung gefunden werden konnte.

Kooperation mit dem ZFE Graz

Die Frage nach dem Wie konnte mit dem Elektronenmikroskop geklärt werden. "Dafür war viel Denkarbeit, und ,thinking outside the box', nötig", erklärt Dr. Mihaela Albu vom Zentrum für Elektronenmikroskopie: "Wie sollten wir mit den ca. ein Zentimeter großen Stücken Kohle umgehen, die uns da geschickt worden sind?" Während am ZFE über die Jahre bereits eine große Expertise im Bereich der Probenpräparation aufgebaut worden ist, war Pflanzenkohle sprichwörtlich Neuland. Bereits 2015 entwickelte Ing. Claudia Mayrhofer eigens für diese Untersuchungen eine neue Präparationsmethode. Jede Probe wird im Elektronenmikroskop, untersuchungsabhängig, einer gewissen Strahlenbelastung ausgesetzt. Die Herausforderung war es, nun die funktionellen Kohlenstoff- und Stickstoffgruppen (Chinone, Ketone, aliphatische, karboxylische Kohlenstoffgruppen, Pyridine, Imine, Amide, Nitro-Stickstoffgruppen etc.) zu detektieren, ohne sie durch den Elektronenstrahl zu zerstören. "Deshalb mussten wir unsere Untersuchungen bei niedriger Spannung, mit 60 kV, durchführen. Außerdem kamen Kryo-Techniken zum Einsatz, etwas wofür dieses Jahr der Chemie-Nobelpreis vergeben wurde", so Mihaela Albu. Unter dem optischen Mikroskop zeigt sich die wabenförmige Struktur der Kohlenstücke (siehe Abbildung 1). Die komplexe Auswertung der elektronenmikroskopischen Daten ergab, dass eine ein paar Nanometer dünne, poröse Beschichtung auf der Oberfläche der Pflanzenkohleporen durch den Kompostierungsprozess entsteht (siehe Abbildung 2), die die Nährstoffe bindet. Durch hochauflösende Elektronenspektroskopie wurde bewiesen, dass es sich um die oben genannten funktionellen Gruppen handelt (siehe Abbildung 3).

Im Anschluss bestätigte das Forscherteam rund um Hagemann diese Ergebnisse mit einer Reihe weiterer Methoden. Damit sind die Forscher der Entwicklung eines marktfähigen Pflanzendüngers auf der Basis von kompostierter Pflanzenkohle einen großen Schritt näher gerückt.

Von Stefanie Gissing & Mihaela Albu

Publikation:

Nikolas Hagemann, Stephen Joseph, Hans-Peter Schmidt, Claudia I. Kammann, Johannes Harter, Thomas Borch, Robert B. Young, Krisztina Varga, Sarasadat Taherymoosavi, K. Wade Elliott, Amy McKenna, Mihaela Albu, Claudia Mayrhofer, Martin Obst, Pellegrino Conte, Alba Dieguez-Alonso, Silvia Orsetti, Edisson Subdiaga, Sebastian Behrens, Andreas Kappler: Organic coating on biochar explains its nutrient retention and stimulation of soil fertility.Nature Communications, DOI 10.1038/s41467-017-01123-0.

https://www.nature.com/articles/s41467-017-01123-0

Geomikrobiologie an der Eberhard Karls Universität Tübingen unter der Leitung von Andreas Kappeler: http://www.mnf.uni-tuebingen.de/fachbereiche/geowissenschaften/arbeitsgruppen/angewandte-geowissenschaften/forschungsbereich/geomikrobiologie/workgroup.html

Kooperation mit ESTEEM2 http://esteem2.eu

Quelle: ACR

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