Chemisch-analytische Charakterisierung des Wurzellockstoffs der 2. Generation

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1 Leinweber, Peter Prof. Dr. agr. habil. Bodenkundler Steinbeis-Transferzentrum Soil Biotechnology Schwerpunkte der beruflichen Tätigkeit: Die universitäre Lehre im Fachgebiet Bodenkunde und bodenkundliche Forschung auf den Gebieten Humuschemie, Nährstoffkreisläufe, Schadstoffbindung und Phytoremediation bilden den Schwerpunkt der beruflichen Tätigkeit. Die Überführung wissenschaftlicher Erkenntnisse in die Praxis sowie anwendungsnahe Forschungen werden über das STZ Soil Biotechnology organisiert. Die analytische Charakterisierung komplizierter Vielstoffgemische und komplexer makromolekularer Naturstoffe mit massenspektrometrischen Methoden ist ein Hauptgeschäftsfeld. Kontakt: Prof. Dr. Peter Leinweber STZ Soil Biotechnology An der Wohrte Huckstorf Telefon: (038207) Telefax: (038207) Chemisch-analytische Charakterisierung des Wurzellockstoffs der 2. Generation Das Substrat, das die Baumwurzeln vorfinden, muss vielfältige Ansprüche realisieren: Verankerung geben, ausreichende Belüftung garantieren sowie Wasser und Nährstoffe bedarfsgerecht bereitstellen. Verankerung, Belüftung und Wasserhaushalt werden über die Texturierung und Strukturierung abgesichert, während der Nährstoffbedarf durch die zugeführten Nährstoffmengen und ihre Bindungsformen und das dauerhafte Nährstoffspeichervermögen (v.a. Kationenaustauschkapazität und Humuseigenschaften) gesteuert werden. Anorganische Stoffe Kationenaustausch und Makronährstoffe Da die meisten Nährstoffe im Boden in Form von Kationen (z.b. Ca 2+, Mg 2+, NH + 4, K + ) vorliegen, ist die Kationenaustauschkapazität (KAK) einer der wichtigsten Parameter von

2 Böden und Pflanzsubstraten, weil sie insbesondere Hinweise auf die langfristige Nährstoffbereitstellung gibt. Mit 67 cmol (+) /kg ist die KAK des Wurzellockstoffs der 2. Generation ebenso hoch wie für die fruchtbarsten Böden in Deutschland ( cmol (+) /kg) (Tabelle 1). Die austauschbar gebundenen Nährstoffgehalte entsprechen hinsichtlich ihrer Rangfolge K > Mg den Relationen der Nährstoffaufnahme der Bäume. Das gilt auch für die wasserlöslichen Gehalte wichtiger Makronährstoffe. Phosphat, Calcium und Magnesium stammen im Wesentlichen aus der Beimengung eines biogenen, technisch modifizierten Ca/Mg-Mischphosphates, das im Gegensatz zu vielen Phosphat- Mineraldüngern nicht die Schadstoffe Cadmium und Uran enthält (P : Cd-Verhältnis > 5000; P : U-Verhältnis > ). Durch die technische Modifikation werden die Ca/Mg- Phosphat-Mineralpartikel mit einer Nanoschicht aus Kohlenstoff-Ringstrukturen überzogen, die einerseits selbst Ionenaustauscheigenschaften besitzt und zu den Terra-Preta-Humuseigenschaften des Wurzellockstoffs beiträgt (s.u.) und andererseits die Nährstofffreigabe so dosiert, dass ein langsam und bedarfsberecht nachlieferndes Multinährstoff-Depot eingebracht wird. Das wird durch die wasserlöslichen Nährstoffanteile < 1% (Ca w, Mg w und P w ) bzw. 4 % (K w ) des eingebrachten Gesamtnährstoffvorrates bewiesen. Bei einem jährlichen P-Bedarf von 8 g / 10 m 2 Kronentraufenfläche wird mit dem Wurzellockstoff der zweiten Generation, der unter der Marke viahum-wurzellockstoff vertrieben wird, entsprechend der empfohlenen Einbaurichtlinien der Phosphatbedarf für 50 Jahre gedeckt. Analog ist der Mg-Bedarf für Jahre (je nach Baumart) gedeckt.

3 Tabelle 1: Chemische Qualitätsparameter des Wurzellockstoffs der zweiten Generation viahum Parameter Einheit Prüfwert viahum- Wurzellockstoff ph 1 7,5 Kationenaustauschkapazität 2 cmol (+) /kg 67 Austauschbares Ca 2 cmol (+) /kg 11 Austauschbares K 2 cmol (+) /kg 3 Austauschbares Mg 2 cmol (+) /kg 4 Austauschbares Na 2 cmol (+) /kg 2 Wasserlösliches Ca (Ca w ) 3 mg/kg (% Gesamt) 218 (0,7) Wasserlösliches K (K w ) 3 mg/kg (% Gesamt) 899 (4,0) Wasserlösliches Mg (Mg w ) 3 mg/kg (% Gesamt) 73 (0,4) Wasserlöslicher P (P w ) 3 mg/kg (% Gesamt) 19 (0,3 ) Organischer Kohlenstoff (C) 4 g/kg 30,3 Gesamt-Humus 5 % 5,2 Gesamt-N 4 g/kg 3,1 Gesamt-S 4 g/kg 1,2 Gesamt-Al 6 g/kg 50,8 Gesamt-Fe 6 g/kg 38,0 Gesamt-Na 6 g/kg 22,2 Gesamt-Cd 6 mg/kg 1,2 Gesamt-U 6 mg/kg < 0,1 Verwendete Analysenmethoden 1 Elektrometrisch nach DIN ISO Perkolationsverfahren nach Meiwes et al. (1984); Beschreibung in Blume et al. (2011) 3 Wasserlösliche Nährstoffgehalte nach Extraktion von 8 g Substrat in 200 ml H 2 O (Beschreibung für P in Blume et al. 2011) 4 CNS-Analysator, Verbrennung im O 2 -Strom bei 900 C nach DIN ISO Glühverlust nach DIN Gesamtelementgehalte im HF-/HClO 4 -Aufschluß nach DIN ISO Stabile Humusstoffe Die zum größten Teil aus Humusstoffen bestehenden organischen Bodensubstanzen sind von fundamentaler Bedeutung für alle Lebensvorgänge im Boden und das

4 Pflanzenwachstum. Ihre detaillierte chemisch-analytische Erfassung und die ökologische Bewertung der Untersuchungsergebnisse sind außerordentlich kompliziert; bis auf die routinemäßig zu bestimmenden Gesamtgehalte an Kohlenstoff und Stickstoff gibt es noch kein standardisiertes DIN-Verfahren zur Charakterisierung der organischem Bodensubstanzen oder Humusstoffe in Böden und Substraten. In der Forschung sind einige Verfahren etabliert, die detaillierte Aussagen zu bestimmten Stoffklassen wie z.b. Neutralzucker, N-Fraktionen, Lipide, Ligninbausteine usw. zulassen (Leinweber in Blume et al., 2011). Noch besser geeignet sind massenspektrometrische Verfahren, die die Gesamtheit der vorkommenden Moleküle und zwar auch a priori nicht erwartete erfassen. Dazu gehört die Pyrolyse-Feldionisation Massenspektrometrie (Py-FIMS), bei der die zu untersuchende Probe (Boden, Humusstoff, Pflanzsubstrat etc.) in einem Hochvakuum schrittweise von Umgebungstemperatur auf 700 C aufgeheizt wird. Die infolge der Erwärmung aus dem komplexen Stoffgemisch frei werdenden Moleküle werden in einem sehr starken elektrischen Feld (11 kv Spannungsdifferenz zwischen Feldionisation-Emitter und Gegenelektrode) schonend (= weich) ionisiert, über Blendensysteme beschleunigt, massenspektrometrisch getrennt und am Photomultiplier als elektrische Signale registriert (Leinweber et al., 2009) Intensity Temperature in C Hauptkomponente 2 (14.3 %) Technosol2 unbewachsen Technosol1 unbewachsen Birke Technosol1 bewachsen Kastanie Technosol2 bewachsen Pappel viahum Eiche m / z Hauptkomponente 1 (40.4 %) Abb. 1: Py-FI Massenspektrum und Thermogramm der Gesamtionenfreisetzung von viahum- Wurzellockstoff (links) und mathematisch-statistische Auswertung analoger Massenspektren von Technosolen (Bergbaufolgelandschaft) sowie fruchtbaren Böden mit reichem Baumbestand am Ätna, Sizilien (Eiche und Kastanie), aus dem Altai-Gebirge (Birke) und aus Schnellwuchsplantagen in Deutschland (Pappel). Das Thermogramm vom viahum-wurzellockstoff zeigt die beginnende thermische Freisetzung erst ab ca. 300 C mit Freisetzungsmaximum bei ca. 480 C (Kurve links oben) und damit eine grosse Stabilität der enthaltenen Huminstoffe an). Das

5 Signalmuster im Massenspektrum selbst ist ausserordentlich komplex; die erfassten Moleküle gehen von Masse 50 bis 500. Das deutet auf eine grosse molekulare Diversität der Huminstoffe hin. Um aus den sehr komplexen Massenspektren Ähnlichkeiten oder Unterschiede zu Vergleichproben mathematisch-statistisch exakt ableiten zu können, wendet man die Hauptkomponentenanalyse an, mit deren Hilfe alle unterschiedsgebenden Signale auf zwei Hauptkomponenten reduziert werden. Diese erklären hier zwei Hauptkomponenten erklären hier 14,3 % (y-achse) + 40,4 % (x-achse) = 54,7 % der Unterschiede zwischen allen Proben (rechts). Je näher sich zwei Proben sind, umso ähnlicher sind sie sich. Das Ergebnis zeigt hier, die Ähnlichkeit der Huminstoffe in viahum-wurzellockstoff mit denjenigen in Proben aus hervorragend mit Eichen und Kastanien bestockten Standorten am Ätna sowie aus Schnellwuchsplantagen mit Weiden- und Pappel-Anbau (in einer Fläche zusammengefasst), insbesondere entlang x-achse, also der stärker unterschiedsgebenden Hauptkomponente 1. Demgegenüber sind die organischen Substanzen aus für das Pflanzenwachstum problematischen Technosolen (als Referenz für gleichfalls problematische Standorten in Stadtgebieten sowie an Strassenrändern) davon sehr verschieden (auch in einer Fläche zusammengefasst). Mit anderen Worten, durch die Zugabe von viahum-wurzellockstoff kann die organische Bodensubstanz der problematischen Standorte derjenigen von Standorten mit sehr gutem Baumwachstum ähnlicher gemacht werden. Zusammenfassend ist festzustellen, dass die beschriebene umfassende Prüfung von viahum-wurzellockstoff (1) den Nachweis sehr guter Nährstoffbindungseigenschaften bei gleichzeitiger Vorratsdüngung mit langsam nachlieferbaren Hauptnährstoffen und (2) den Nachweis stabiler Huminstoffe wie bei Standorten mit gut entwickelten und vitalen Baumbeständen erbracht hat. Es wird empfohlen, die Prüfmethode der Pyrolyse-Feldionisation Massenspektrometrie (Py-FIMS) im Rahmen von Eignungsund Kontrollprüfungen anzuwenden. Literatur: Blume, H.-P., Stahr, K., Leinweber, P Bodenkundliches Praktikum. 3. Auflage, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, 255 S. Leinweber, P., G. Jandl, K.-U. Eckhardt, A. Schlichting, D. Hofmann, H.-R. Schulten Analytical pyrolysis and soft-ionization mass spectrometry. In: N. Senesi, B. Xing, P.M.

6 Huang (eds). Biophysico-chemical processes involving natural nonliving organic matter in environmental systems. John Wiley & Sons, Inc. New York, p Leinweber, P.: Unveröffentlichtes Gutachten zur Entwicklung und Prüfung von Wurzellockstoff der 2. Generation, Rostock 2012.