Landwirtschaft 19.10.2020, 06:24 Uhr

Dieser innovative Chip schützt das Grundwasser vor Nitraten

Nitrate im Grundwasser sind größtenteils auf starke Düngung zurückzuführen. Wie sich diese Gefahr durch Biopolymere verringern lässt, zeigen Forscher aus Bochum und Oberhausen.

Im Labor

Neue Biopolymer-Chips setzen Dünger gezielt frei.

Foto: Roberto Schirdewahn/RUB

Laut Umweltbundesamt (UBA) kommen 74 % des Trinkwassers in Deutschland aus dem Grundwasser. Diese lebensnotwendige Ressource wird durch intensive Bodennutzung mehr und mehr gefährdet. Aus Sicht des Gewässerschutzes gelten vor allem Nährstoffeinträge aus stickstoffhaltiger Düngung, die nicht standort- und nutzungsgerecht ausgebracht werden, als Problem, wie Daten aus dem Jahr 2018 zeigen: Bei 17 % aller 1.171 Messstellen der Europäischen Umweltagentur EUA lag der Nitratgehalt zwischen 25 und 50 Milligramm pro Liter, was einer starken Belastung entspricht. Weitere 17 % meldeten sogar Werte über 50 Milligramm pro Liter – und überschritten Grenzwerte der Trinkwasserverordnung deutlich. Das brachte Deutschland bereits Rügen der EU-Kommission ein. Gefragt sind innovative Lösungen.

„Die Gülle aus der Intensivtiermast wird auf die Felder gekippt und dadurch mehr Nitrat als nötig in den Boden eingebracht, das dann ins Grundwasser ausgewaschen wird“, sagt Sulamith Frerich. Sie forscht an der Ruhr-Universität Bochum und am Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT in Oberhausen. Frerich: „Dabei brauchen Pflanzen eigentlich nur in bestimmten Wachstumsphasen den Stickstoff aus dem Dünger.“

Zusammen mit Kollegen hat die Wissenschaftlerin eine Lösung entwickelt. Biopolymere eignen sich, um Dünger gezielt in landwirtschaftlich genutzte Flächen einzubringen. Dabei wird die aktive Substanz verkapselt und langsam freigesetzt, wenn sich der Kunststoff abbaut. Größere Mengen an Stickstoff gelangen nicht mehr bis in das Grundwasser.

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Experimente im Labor mit Milchsäure-Polymeren

„Um das Freisetzungsverhalten steuern zu können, mussten wir gezielt eine Trägermatrix für den Dünger aufbauen“, berichtet Diana Keddi. Sie ist Doktorandin an der Ruhr-Universität Bochum. „Da der Boden nicht mit dem Kapselmaterial kontaminiert werden soll, ist es außerdem vorteilhaft, wenn das Material biologisch abbaubar ist.“

Das Team entschied sich für Polymilchsäure, kurz PLA, als Kapselmaterial. Die Verbindung hat mehrere Vorteile. Ihr Verhalten beim biologischen Abbau ist hinlänglich bekannt. Zudem lässt sich Milchsäure als Ausgangsstoff aus nachhaltigen Quellen wie Mais oder Zuckerrüben gewinnen.

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Im Experiment arbeitete Keddi mit Harnstoff als Stickstoffquelle. Die ersten Experimente waren wenig erfolgreich. Harnstoff schmilzt bei rund 130 Grad Celsius (°C) und beginnt dann, sich zu zersetzen. Polymilchsäure wird erst ab 140 bis 170 °C flüssig. Doch die Forscherin griff zu einem Trick: Erhöht man den Druck im Reaktionsgefäß, sinkt der Schmelzpunkt. Zwischen 200 und 350 bar Kohlendioxid waren nötig. Bei diesen Bedingungen wechselte Polymilchsäure unterhalb von 130 °C den Aggregatzustand, während Harnstoff fest blieb.

Das Verfahren ließ sich noch weiter optimieren. Mit organischen Solventien reichen 100 bis 180 bar Kohlendioxid und 40 °C aus, um Polymilchsäure zu lösen. Dann setzte Keddi Harnstoff zu. Anschließend musste sie nur noch das Gas sowie Lösungsmittel entfernen, um mikroverkapselten Harnstoff zu erhalten.

Stickstoff zeitverzögert im Boden freisetzen 

Im nächsten Schritt untersuchten die Forscher ihr Produkt im Labor. Bei kontinuierlicher Durchspülung mit Wasser setzte es Harnstoff innerhalb von zwei Stunden frei. Zum Vergleich: Reiner, nicht behandelter Harnstoff löste sich innerhalb weniger Minuten komplett auf.

Von der Theorie zur Praxis: Im Feld würden mikroverkapselte Dünger nahe bei Pflanzen eingegraben. Weil die Feuchtigkeit des Erdreichs anders als im Laborexperiment schwankt, werden Substanzen mit großer zeitlicher Verzögerung freigesetzt. Wurzeln können sie aufnehmen, und der Eintrag ins Grundwasser verringert sich. Dieses Szenario untersuchen die Forscher gerade im Rahmen von Freisetzungsversuchen. Mit den Daten wollen sie dann weiter in Richtung einer industriellen Anwendung gehen.

Breites Einsatzspektrum von Biopolymeren jenseits der Landwirtschaft

Das Biopolymer aus Bochum kommt perspektivisch nicht nur in der Landwirtschaft zum Einsatz. Seit die EU ein Verkaufsverbot von Einweg-Kunststoffartikeln beschlossen hat, ist der Druck auf Hersteller gestiegen, nachhaltige Lösungen zu verwenden. Organische Verbindungen sind biologisch abbaubar. Sie könnten den Eintrag von Kunststoffen auf Erdölbasis in die Umwelt verringern. Schätzungen zufolge treiben derzeit rund 150 Millionen Tonnen Plastikmüll durch die Weltmeere und gefährden das fragile Ökosystem. 

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Von Michael van den Heuvel

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