Neue App sagt Landwirten wie viel Düngemittel ihre Anbaupflanzen benötigen
Zur Verbesserung der Bodenfruchtbarkeit verwenden Landwirte üblicherweise mehr Düngemittel als die Anbaupflanzen tatsächlich brauchen. Obwohl dieser Ansatz zu einem guten Ernteertrag beiträgt, hat er negative Auswirkungen auf Wirtschaft und Umwelt. Eine Antwort darauf wäre, dass Landwirte rechtzeitig Zugang zu den richtigen Informationen über die im Boden verfügbare Stickstoffmenge haben, damit sie ihren Stickstoffeintrag dementsprechend anpassen können. Der Einsatz der bestehenden Analyseinstrumente geht jedoch aufgrund der Kosten und des aufwändigen Arbeitsablaufs, der Laboranalysen beinhaltet, schleppend voran. Der Ansatz von Projekt LiveSEN (In-Field Live Sensing of Nitrate in Crops for Real-Time Fertilization Adjustment), das durch Mittel des Proof of Concept Grant des EFR unterstützt wird, bestand darin, den Stickstoffgehalt direkt aus dem Pflanzensaft zu messen. Diese Flüssigkeitsprobe vereinfachte nicht nur die Probenaufbereitung, sondern ermöglichte auch wichtige Vor-Ort-Analysen mit elektrochemischen Einweg-Biosensoren. Es wurden Validierungsuntersuchungen im Labor durchgeführt, über die das Team jetzt die Herstellung der Sensoren nach oben skaliert. Während der Feineinstellung des Tintenstrahldruckprozesses für die Enzymbeschichtung, wurde nach einem Hersteller von Dickfilmelektroden gesucht, um Pläne für die automatisierte Massenproduktion zu entwickeln. Abgesehen von ihren hohen Kosten sind aktuelle Analyseinstrumente (wie zum Beispiel Nitrat-Ionen-selektive Elektroden) auf den Einweggebrauch ausgelegt und müssen daher zwischen den Messungen gereinigt und häufig kalibriert werden. Da sie zudem empfindlich auf verschiedene Ionen reagieren, können die Messungen bei komplexen Proben (wie zum Beispiel Pflanzensaft) ungenau sein. „Wir wollten einen Biosensor vor Ort für unverzügliche Informationen über den Düngemittelbedarf einer Pflanze entwickeln, der ohne Schulung verwendet werden kann, um für die Beprobung, Messung, Datenauswertung und Entscheidungsfindung auf Techniker oder Fachberater verzichten zu können“, sagt Nicolas Plumeré, Professor an der Ruhr-Universität Bochum, der das LiveSEN-Projekt leitete. Bei dem Projekt verwendet der Biosensor Enzyme für die Detektion von Nitraten, die mit den Elektronen der Elektrode reagieren. Die Anzahl dieser Elektronen wird gemessen, um die Anzahl der Nitratmoleküle im Pflanzensaft zu quantifizieren. Der Biosensor beinhaltet zudem Systeme zur Vermeidung von Interferenzen (Patent beantragt), darunter Enzyme (Oxidasen) zum Entfernen gelösten Sauerstoffs, der ansonsten die Elektronen aufnehmen und zu falschen Messwerten führen würde. Der empfohlene Stickstoffeintrag wird den Landwirten anschließend unverzüglich durch eine Smartphone-App mitgeteilt, die mit einem Cloud-basierten System verbunden ist. „Landwirte haben uns Feedback zu den praktischen Erfordernissen der Verwendung eines Hightech-Geräts bei jedem Wetter gegeben, möglicherweise während des Betriebs landwirtschaftlicher Ausrüstung. Dies half uns bei der Umgestaltung [des Geräts] auf Grundlage ihrer Anforderungen. Sie vermeldeten zudem andere Prioritäten wie zum Beispiel den Phosphat- und Schwefelgehalt, für die wir einen ähnlichen Sensor entwickeln“, sagt Plumeré. Im Zuge des LiveSEN-Projekts werden Big Data verwendet, um aus einer Kombination von Biosensordaten, Wetterinformationen, topographischen Informationen und multispektralen Satellitenbildern (Chlorophyllkarten oder „Grünheitskarten“ zu Feldern) aus dem EU-Projekt Copernicus Karten für Düngeempfehlungen zu erstellen. Dies bedeutet, dass die Düngung auf einem Feld so angepasst werden kann, dass der Nährstoffbedarf von Anbaupflanzen gedeckt ist.
Verbessertes Umweltmanagement
Die Arbeit an LiveSEN ist an der Erklärung der EU zur Zusammenarbeit „Aufbau einer intelligenten und nachhaltigen digitalen Zukunft für die europäische Landwirtschaft und den ländlichen Raum“ ausgerichtet. Das Projekt wird zudem einzelnen Landwirten wie auch nationalen Behörden die Möglichkeit geben, die Kriterien zu erfüllen, die durch die EU-Nitratrichtlinie (91/676/EWG) vorgegeben sind. Landwirte erhalten die Sensoren zu den Herstellungskosten, damit die Genauigkeit der Big-Data-Prognosemodellierung steigt. Das LiveSEN-Paket wird daraufhin einen bezahlten Dienst für Düngemittelempfehlungen über eine Smartphone-App oder Computer-Anwendung bieten. „Unsere Idee könnte landwirtschaftliche Erträge um 5 bis 10 % erhöhen, Kosten und Verschmutzung senken, insbesondere was CO2-Emissionen anbelangt; da die Produktion von Stickstoffdüngemitteln mehr als 1 % ausmacht“, sagt Plumeré.
Schlüsselbegriffe
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