Pflanzen brauchen Nährstoffe wie Stickstoff zum Wachsen. Durch das unkontrollierte Ausbringen von Gülle landen jedoch oft mehr Nährstoffe im Boden als nötig. Forschende der Ruhr-Universität in Bochum haben nun einen Weg gefunden, Pflanzen gezielt mit Nährstoffen zu versorgen. Ein Team um Eckhard Weidner und Sulamith Frerich entwickelte dafür einen Biochip, der kontrolliert Dünger im Boden freisetzt.

Harnstoff in PLA-Schaum verkapselt

Bei dem biobasierten Chip handelt es sich um eine Biopolymer-Kapsel, die eine stickstoffhaltige Substanz beinhaltet. Die Düngekapsel wurde von Doktorandin Diana Keddi entwickelt. „Um das Freisetzungsverhalten steuern zu können, müssen wir gezielt eine Trägermatrix für den Dünger aufbauen“, erklärt Keddi. „Da der Boden nicht mit dem Kapselmaterial kontaminiert werden soll, ist es außerdem vorteilhaft, wenn das Material biologisch abbaubar ist.“

Die Forscherin entschied sich schließlich für einen Schaum aus Polymilchsäure (PLA), um den Nährstoff - konkret Harnstoff - zu verkapseln. PLA, das aus Mais oder Zuckerrohr gewonnen werden kann, ist unter bestimmten thermischen Bedingungen biologisch abbaubar. Die Herausforderung bestand darin, das Biopolymer so zu verarbeiten, dass der Harnstoff dabei nicht thermisch zersetzt wird. Die Versuche ergaben, dass je nach PLA-Typ ein Druck zwischen 200 und 350 bar in einer CO₂-Atmosphäre nötig ist, um die PLA schon unter 130 Grad Celsius zum Schmelzen zu bringen, ohne den Harnstoff zu schädigen.

Kontrollierte Düngerfreisetzung

Im Ergebnis entstand eine Kapsel aus PLA und Harnstoff, die die stickstoffhaltige Substanz aus dem PLA-Schaum bei einer kontinuierlichen Durchspülung, wie es heißt, innerhalb von zwei Stunden freisetzt. Mittels der Kapsel konnten die Forschenden die Freisetzungsdauer um ein Vielfaches verlängern. „Ohne Verkapselung würde der gesamte Harnstoff in diesem Versuchsaufbau innerhalb von zwei Minuten freigesetzt werden“, so Keddi.

Bio-Kapsel wird im Boden vergraben

Die biobasierte Düngekapsel entstand im Rahmen von Forschungsarbeiten zu Biopolymeren, die nicht nur herkömmliche Kunststoffe ersetzen, sondern gleichzeitig durch ein zirkuläres Wirtschaften die Umwelt schonen sollen. Die mit Dünger beladenen Biopolymer-Chips könnten künftig einfach neben den Pflanzen im Boden vergraben werden, wo sie Schritt für Schritt die stickstoffhaltigen Substanzen abgeben und so den Boden kontrolliert düngen. Mit seiner Studie hat das Bochumer Team bewiesen, dass die Methode funktioniert. Bis zu einer industriellen Anwendung sind jedoch noch weitere Versuche nötig.

bb