Ohne Phosphor kann keine Pflanze auf dem Feld gedeihen, doch die Lagerstätten der Rohphosphate, aus denen mineralische Phosphordünger hergestellt werden, sind endlich und zudem nur auf eine Handvoll Länder verteilt. Daher erforschen Wissenschaftler in dem BMBF-BonaRes Verbundprojekt InnoSoilPhos nach möglichen Alternativen.
Die Idee Knochen als Phosphordünger zu nutzen ist nicht neu, denn bereits Ende des 1800 Jahrhunderts galten Knochen – die aus ca. 15 % Phosphor bestehen – und Knochenmehl als wertvoller Dünger. Durch die wachsende Fleischindustrie fallen immer mehr Knochen als Schlachtabfälle an, die teilweise als Knochenmehl für die unterschiedlichsten Zwecke genutzt wurden. Allerdings wurden die Bedenken über eine mögliche Übertragung von Pathogenen und Krankheiten durch die Nutzung von Knochen und Knochenmehl mit der Zeit immer größer. Um eventuelle Krankheitserreger zu eliminieren können die Knochen jedoch auch verkohlt werden, wobei potentielle Nährelemente wie Phosphor, Kalzium oder auch Magnesium enthalten bleiben. Diese sogenannte Knochenkohle bildet daher den idealen Grundstein für einen neuartigen Phosphordünger – der nicht auf einer endlichen Ressource wie dem Rohphosphat basiert – und die Schließung von Elementkreisläufen.
Pyrolisierter Knochenkohlepartikel unter dem Rasterelektronenmikroskop. Quelle: Nina Siebers
Das Verbundprojekt InnoSoilPhos startete 2015 und wird von der Universität Rostock koordiniert. Bereits seit über 12 Jahren beschäftigen sich Wissenschaftler um Prof. Peter Leinweber von der Universität Rostock mit der Frage, ob Knochenkohle eine alternative zu konventionellen mineralischen Phosphordüngern aus Rohphosphaten ist. Hiermit hat sich auch Dr. Nina Siebers bereits während ihrer Doktorarbeit an der Universität Rostock beschäftigt, und setzt nun ihre Forschung zur Knochenkohle als Hauptverantwortliche für das InnoSoilPhos Teilprojekt am FZ Jülich fort. Bereits während ihrer Zeit an der Universität Rostock zeigte sich dass die Knochenkohle durchaus vergleichbare Ergebnisse zu konventionellen mineralischen Phosphordüngern erzielte, dies aber stark vom Boden-pH Wert abhängig war.
Dr. Nina Siebers mit Knochenkohle auf dem Feld. Quelle: Forschungszentrum Jülich / Sascha Kreklau.
Die Knochenkohle wurde von der Arbeitsgruppe von Prof. Peter Leinweber in der Zwischenzeit noch weiter modifiziert, so dass die Wirkung nicht mehr so stark vom Boden pH abhängig war. Aber wie viel Phosphor wird denn nun aus der Knochenkohle von der Pflanze und in welchem Zeitraum aufgenommen? Um diese Fragen zu klären wird der Hauptbestandteil der Knochenkohle, das Hydroxyapatit, von dem Team um Dr. Nina Siebers im Labor hergestellt und gleichzeitig mit dem Radioisotop 33Phosphor markiert. Die radioaktive Markierung macht es nun möglich den ‚Weg’ des Phosphors aus dem Dünger in den Boden und in die Pflanze zu verschiedenen Zeitpunkten zu verfolgen.
Um die Phosphorfreisetzung aus der Knochenkohle im Boden und die Pflanzenaufnahme zu untersuchen werden Rhizotrone genutzt. Diese ermöglichen es über einen mehrwöchigen Zeitraum nicht nur das oberirdische Pflanzenwachstum zu beobachten, sondern auch unterirdische Prozesse abzubilden. Mit Hilfe eines speziellen Analysegerätes, einem so genannten Hochgeschwindigkeitsscanner, können Bilderzeugungsplatten die vorher dem 33Phosphor in den Rhizotronen ausgesetzt wurden, gelesen und somit die 2D-Verteilung des radioaktiven 33Phosphors aus dem Dünger sichtbar gemacht werden. Durch ein besseres Verständnis über Freisetzung und Pflanzenaufnahme des Phosphors aus der Knochenkohle kann man anschließend den Dünger an Anbaupraktiken anpassen und somit das Düngemanagement optimieren.
33Phosphor Freisetzung aus einem Phosphordünger. Links sieht man das mit Boden gefüllte Rhizotron und rechts die 33Phosphor Freisetzung und Pflanzenaufnahme zu verschiedenen Zeitpunkten nach Einbringung des markierten Düngers in den Boden. Quelle: Maximilian Koch.
Wir haben Gülle im Überfluß. Daraus mineralischen Phosphatdünger herzustellen ist sicher nicht schwer. Jedenfalls wäre das besser als die Gülle direkt auszubringen und das Grundwasser zu verunreinigen.