Team entwickelt Technik zur schnelleren und kostengünstigeren Erkennung von Nährstoffen im Boden

Jedes Jahr verlieren die Farmer in Missouri wertvolle Nährstoffe im Wert von mehreren Millionen Dollar, die in Flüsse und Seen gespült werden. Diese Nährstoffe – Nitrate und Phosphate aus Düngemitteln – sind für das Pflanzenwachstum unerlässlich, richten jedoch verheerende Schäden an der Unterwasserwelt an, wenn sie in Gewässer gelangen.

Matthias Young, Forscher an der University of Missouri, glaubt, einen Weg gefunden zu haben, die Nährstoffe auf dem Boden zu halten, wo sie hingehören. Er entwickelt eine Technik, die zu neuen Sensortypen führen könnte, mit denen Landwirte Nitrate und Phosphate im Boden besser messen und Düngemittel effizienter einsetzen können.

„In Gewässer gelangende Nitrate und Phosphate verursachen Algenblüten, die Fische töten und den Tourismus in Küstengemeinden beeinträchtigen“, sagte Young, ein Assistenzprofessor für Chemieingenieurwesen mit einer gemeinsamen Anstellung in Chemie am College of Arts and Science der Universität Mizzou. „Nicht nur das, die Landwirte wollen auch nicht, dass Nitrate und Phosphate von ihren Feldern ausgewaschen werden. Nach Angaben der Umweltschutzbehörde und des Landwirtschaftsministeriums der Vereinigten Staaten werden allein in Missouri jährlich schätzungsweise 100 Millionen Dollar an Düngemitteln verschwendet. Diese Arbeit hilft Fischen, Wildtieren, dem Tourismus und den Landwirten.“

Ein neuer Weg nach vorn

Während sein Team noch einige Probleme löst, verspricht Youngs Forschung eine schnellere, zuverlässigere und kostengünstigere Methode zur Messung von Ionen wie Nitraten im Boden.

Das ist wichtig, denn wenn der Nitratgehalt niedrig ist, erhalten die Pflanzen nicht die Nährstoffe, die sie zum Wachsen brauchen. Wenn der Nitratgehalt jedoch zu hoch ist, ist die Zugabe von mehr Dünger Verschwendung, da überschüssiges Nitrat in die Gewässer abläuft.

Vorhandene Geräte, sogenannte ionenselektive Elektroden, können Nitrate und Phosphate messen, sind aber teuer und ungenau. Bei einer aktuellen Methode müssen Landwirte Bodenproben sammeln und zur Analyse an ein Labor schicken, was langsam ist und nur ein kleines Stück Land abdeckt. Labore haben Zugang zu ausgefeilteren Sensoren, die auf speziellen Molekülen basieren, die Ionen binden und messen, aber diese Moleküle können etwa 10.000 Dollar pro Gramm kosten.

„Die Landwirte entscheiden, wie viel Dünger sie ausbringen, aber sie treffen ihre Entscheidungen auf der Grundlage begrenzter Informationen“, sagte Young. „Selbst die teuren Sensoren müssen häufig neu kalibriert werden, das heißt, sie können nicht auf dem Feld gelassen werden.“

Youngs neues Design verändert die Art und Weise, wie Informationen gesammelt werden.

Er und sein Team entwickeln einen Sensor, der misst, wie schnell Ionen durch eine Membran wandern, und nicht, wie stark sie sich an die Membran binden. Durch die Verwendung eines gepulsten elektrischen Stroms sind diese Geräte empfindlicher und zuverlässiger.

Young berät Landwirte in Missouri und hofft, kostengünstige und praktische Sensoren auf den Markt zu bringen.

„Wir entwickeln tragbare Sensoren, die Messungen in Echtzeit erfassen, sowie Sensoren, die vor Ort installiert werden können“, sagte Young. „Sie sind noch nicht einsatzbereit, da wir noch einige Herausforderungen zu bewältigen haben, aber sie bieten einen neuen Weg nach vorne.“

Kürzlich skizzierte er seine Ergebnisse In ACS OmegaCo-Autoren waren Ryan Gettler, Shima Mehregan, Henry Koeing und Andie Kaess.