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Development of a mobile device for the quick on-site measurement of soil nutrients

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Vor-Ort-Bodenanalyse dank Mikrofluidik ist von die Zukunft der Landwirtschaft

Düngemittel sind für die moderne Landwirtschaft und Produktivität unverzichtbar, tragen aber zur Umweltverschmutzung und zum Klimawandel bei. EU-Forschende haben einen neuen Bodensensor entwickelt, der Bodennährstoffe schnell erkennt, den Landwirtschaftsbetrieben Geld spart und zum Schutz der Umwelt beiträgt.

Lebensmittel und natürliche Ressourcen

Die Ausbringung von Düngemitteln auf landwirtschaftliche Kulturen basiert derzeit eher auf Berechnungen, Schätzungen und Empfehlungen als auf einer Analyse des tatsächlichen Bedarfs im Boden und der Pflanzen. Oft ist das Ergebnis eine Überdüngung mit erheblichen Nachteilen. Die Landwirtschaftsbetriebe leiden unter geringeren Erträgen und unnötigen Kosten, Grundwasser wird verschmutzt, Oberflächengewässer werden eutrophiert, Treibhausgase werden aus Böden freigesetzt und begrenzte natürliche Düngemittelressourcen werden erschöpft. Daher ist ein effizienterer Einsatz von Düngemitteln erforderlich, der die Pflanzenproduktivität aufrechterhält und gleichzeitig die negativen Auswirkungen auf die Umwelt verringert. Landwirtschaftliche Betriebe profitieren außerdem von verringerten Kosten für Düngemittel. Das einzige Hindernis für eine umfassendere Optimierung des Verbrauchs ist das Fehlen einer schnellen und kostengünstigen Bodenanalyse. Das EU-finanzierte Projekt MobiLab reagierte auf diese Herausforderung mit der Entwicklung eines Lab-on-a-Chip-Sensors zur Konzentrationsbestimmung der wichtigsten Pflanzennährstoffe (Ammoniak, Nitrat, Phosphat und Kalium) im Boden. Dieses Projekt basiert auf den Ergebnissen der preisgekrönten EU-Initiative OPTIFERT.

Einfacher ist besser

Die Projektforschenden entwickelten einen innovativen, auf der Kapillarelektrophorese basierenden Bodenanalysator, der schnelle und genaue Angaben zum Makronährstoffgehalt liefert und damit die Präzisionslandwirtschaft unterstützt. „Ein herkömmliches Labor kostet Zeit und Geld. Der Analysator von iMETOS MobiLab reduziert die Kosten durch die Integration der Bodennährstoffanalyse in einen einzelnen Mikrofluidik-Chip“, erklärt Projektkoordinator Günther Kriechhammer. Da sich die Strukturen im Mikrometerbereich befinden, wurden einige ausgeklügelte Techniken wie die Mikrofluidik benötigt. Diese Wissenschaft dient der Manipulation und Steuerung von Flüssigkeiten in Kanalnetzwerken mit Abmessungen von zehn bis Hunderten Mikrometern. „Am wichtigsten und intellektuell anspruchsvollsten bei der Entwicklung des Geräts war die Verringerung der Komplexität“, stellt Kriechhammer fest. „Weniger Komplexität bedeutet geringere Produktionskosten, weniger Fehlerquellen, ein besseres Verständnis des gesamten Geräts sowie eine einfachere Bedienung und Fehlerbehebung für die Nutzenden.“ Die Technologie von iMETOS MobiLab kann unter Feldbedingungen für Messungen vor Ort verwendet und ohne vorherige Laborerfahrung genutzt werden. Die gemessenen Daten beziehen sich auf GPS-Koordinaten (mithilfe einer mobilen App) und werden per Datenfernübertragung an die Cloud gesendet, wo sie sicher gespeichert werden und für die Nutzenden zugänglich sind. Die Informationen lassen sich leicht in maschinenlesbare Formate konvertieren und ermöglichen die automatische ortsspezifische variable Ausbringung mit Präzisionslandwirtschaftsmaschinen wie Düngerstreuern und Sprühgeräten.

Erhebliche Einsparungen

Mit dem Nährstoffsensor können die europäischen Landwirtschaftsbetriebe den Düngemittelbedarf ihrer Felder innerhalb weniger Minuten und ohne besondere Kenntnisse ermitteln. Darüber hinaus können sie bis zu 35 % ihres ausgebrachten Düngemittels einsparen, was sich auf EU-Ebene zu möglichen jährlichen Einsparungen von bis zu 6 Milliarden EUR summiert. iMETOS MobiLab bietet Vorteile für die gesamte Produktionskette in der modernen Landwirtschaft. Die Preisgestaltung des Geräts soll für kleine und mittlere Betriebe reizvoll sein. Das Gerät wird auch der EU helfen, ihre führende Position auf dem Weltmarkt für Präzisionslandwirtschaftsprodukte weiter auszubauen. „Unsere bisherige Erfahrung zeigt, dass unser Gerät in Europa hauptsächlich von beratendem und technischem Personal in größeren landwirtschaftlichen Betrieben und Genossenschaften genutzt wird. Ein unerwarteter Erfolg war, wie gut es für die Analyse nicht nur des Bodens, sondern auch des Pflanzensafts und Abwassers geeignet ist“, schließt Kriechhammer.

Schlüsselbegriffe

MobiLab, Boden, Düngemittel, Sensor, Mikrofluidik, Elektrophorese, Präzisionslandwirtschaft, Pflanzen, Nährstoffsensor

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