Wissenschaftler schlagen eine Strategie zur Steigerung des Reisertrags bei gleichzeitiger Reduzierung des Düngemittelverbrauchs vor

Forscher des Forschungszentrums für Öko-Umweltwissenschaften (RCEES) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften haben eine nachhaltige Technologie zur selektiven Reduzierung von Nitrat zu Ammonium entwickelt. Diese Innovation bietet drei Vorteile: Sie erhöht den Reisertrag, reduziert den Düngemittelverbrauch und verringert die Nitratbelastung im Grundwasser. Die Erkenntnisse wurden erst vor Kurzem erhoben veröffentlicht im Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.

Ammoniak ist eine lebenswichtige Chemikalie, die bei der Düngemittelproduktion verwendet wird, und ein potenzieller Energieträger mit hoher Dichte. Historisch gesehen stützte sich seine Produktion stark auf den energieintensiven Haber-Prozess (N2+3H2→2NH3), der jährlich mehr als 420 Millionen Tonnen CO2 erzeugt, was 1–2 % der weltweiten Energieemissionen entspricht. Unterdessen haben der übermäßige Einsatz von Düngemitteln und die Einleitung von Industrieabwässern zu einer starken Nitratbelastung (NO3) geführt, die erhebliche Risiken für die menschliche Gesundheit und die ökologische Stabilität mit sich bringt.

In den letzten Jahren hat sich die Ammoniakproduktion durch elektrochemische Nitratreduktion als umweltfreundliche Alternative herausgestellt. Die meisten aktuellen Forschungsarbeiten werden jedoch unter extremen pH-Bedingungen (entweder stark sauer oder stark alkalisch) durchgeführt, während nur wenige Studien neutrale Bedingungen untersuchen. Diese Einschränkung ergibt sich aus der schwachen Grenzflächenaffinität von Nitrat bei neutralem pH-Wert, was zu einer geringen Reduktionseffizienz führt.

Inspiriert durch das weitverbreitete Vorkommen von Fe(II)-Ionen in der Natur entwickelten Forscher am RCEES eine In-situ-Regulierungsstrategie für Fest-Flüssigkeits-Grenzflächen (siehe Abb. 1). FeOOH, ein übliches hydroxyliertes Eisenoxid, dient als Fe-Quelle und erzeugt bei elektrischer Stimulation in situ eine Fe(II)-Ionenschicht. Dieser Prozess begrenzt die elektrostatische Abstoßung und verbessert die Nitrationenaggregation an der Grenzfläche, wodurch die Effizienz der Nitratreduktion deutlich verbessert wird.

Reis ist neben Weizen und Mais eines der drei Grundnahrungsmittel der Welt und ernährt mehr als die Hälfte der Weltbevölkerung. Es ist auf Ammonium als primäre Stickstoffquelle angewiesen. In Reisfeldern enthält das Bewässerungswasser häufig reichlich Nitrat. Um die Stickstoffaufnahme zu verbessern und die Abhängigkeit von chemischen Düngemitteln zu verringern, schlugen die Forscher eine Strategie zur Umwandlung von Nitrat in Ammonium vor (siehe Abb. 2).

Besonders kritisch ist diese Umwandlung während der Bestockungsphase, wenn Reis mehr als 90 % seines Stickstoffbedarfs aufnimmt. Laborexperimente in Töpfen zeigten, dass dieser Ansatz die Reiserträge um mehr als 20 % steigerte und gleichzeitig den Düngemittelverbrauch um 50 % reduzierte, was eine deutliche Verbesserung gegenüber der herkömmlichen Praxis darstellt.

Allerdings neigt Nitrat von Natur aus dazu, sich eher zu Stickstoffgas als zu Ammonium zu reduzieren, was eine große Herausforderung darstellt. Um dieses Problem anzugehen, stützten sich die Forscher auf frühere Erkenntnisse über FeOOH, um einen Einzelatom-Eisenkatalysator in ihr elektrochemisches System einzuführen.

Dieser Katalysator zeigte eine außergewöhnliche Reduktionsfähigkeit und erreichte eine Selektivität von über 90 % bei der Umwandlung von Nitrat in Ammonium. Darüber hinaus bestätigten die Forscher mithilfe fortschrittlicher 15N-Isotopenverfolgungstechnologie, dass mehr als 80 % des Stickstoffs aus dem Umgebungsnitrat vom Reis absorbiert wurden, wodurch eine nachhaltige Stickstoffversorgung für den Anbau sichergestellt wurde.

Da die Stickstoffnutzungseffizienz von Reis aus chemischen Düngemitteln nur 30–40 % beträgt, gelangt ein Großteil des Stickstoffs in Reisfeldern als Nitrat ins Grundwasser, was erhebliche Risiken für die Trinkwassersicherheit darstellt. Die von RCEES entwickelte selektive Reduktion von Umgebungsnitrat zu Ammonium bietet jedoch eine innovative Lösung für dieses Problem.

Durch die Umwandlung von „schädlichem“ Nitrat in „nützliches“ Ammonium verhindert diese Methode, dass mehr als 70 % des Nitrats in das Grundwasser gelangen, während gleichzeitig die Stickstoffaufnahme durch Reis verbessert und der Bedarf an externen Stickstoffeinträgen verringert wird.

Kosten-Nutzen-Analysen zeigen, dass dieser Ansatz im Vergleich zur herkömmlichen Harnstoffdüngung die Kosten um 19 % senkt und den Umsatz um 27 % steigert. Diese Ergebnisse unterstreichen die Fähigkeit der Technologie, gleichzeitig die Ernährungssicherheit zu verbessern und gleichzeitig die ökologische Nachhaltigkeit zu fördern.

Unter der Leitung der Forscher Zhu Guibing und Liu Chunlei vom RCEES markiert diese Studie den ersten Einsatz elektrochemischer Technologie zur Aufbereitung von landwirtschaftlichem Bewässerungswasser und ebnet den Weg für innovative Lösungen, die die landwirtschaftliche Produktivität verbessern und gleichzeitig natürliche Ressourcen schonen.