Industrie + Technik

Die Devulkanisierung – kombiniert mit der Aktivierung des Kautschuks in einem kontinuierlichen Verfahren – ist eine vielversprechende Methode, um ein Recyclingmaterial zu einem Rohstoffersatz zu verarbeiten. Ein neues Verfahren liefert chemisch aktive Gummimehlpartikel für Dämmstoffe.
Im Jahr 2018 wurden weltweit 29,2 Millionen Tonnen Kautschuk verbraucht, davon waren zirka 13,9 Millionen Tonnen Naturkautschuk (NR, Kasten) und etwa 15,3 Millionen Tonnen Synthesekautschuk.1) Ein Großteil der in Deutschland verwendeten Kautschuke ist für technische Elastomererzeugnisse synthetisch hergestellt. Bis zu 65 Prozent des gesamten Kautschuks fließen in die Produktion von Autoreifen.2) Zu weiteren Anwendungen gehören Gummiplatten, Dichtungsringe, Schläuche, Kabel, Fenster- und Türenprofile, Dämmstoffe, Handschuhe, Matratzen und Schwämme.<figure><img src="https://media.graphcms.com/8Jn3JqToW8xiGkiMh7WA"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Vom Altgummi (links) zu den Produkten daraus.</figcaption></figure>
Die Produktionsabfallmenge von vulkanisierten technischen Elastomeren ist statistisch nicht erfasst. Die Europäische Union rechnet aufgrund einer Veröffentlichung der Industrievereinigung European Tyre and Rubber Manufactures Association aus dem Jahr 2017 pro Jahr mit einem Altreifenaufkommen von etwa 3,93 Millionen Tonnen.3) Hinzu kommen zirka 2 Millionen Tonnen Abfall an Elastomerbauteilen aus Fahrzeugen, Haushaltsgeräten und Industrieanlagen.<h2>INFO: Rund um Gummi</h2>Elastomere, umgangssprachlich Gummi, sind elastisch verformbare Polymere, welche die Industrie aus Kautschuk mit Vernetzern wie Schwefel oder Peroxid unter Druck und Hitze herstellt. Durch Vulkanisationsvorgänge wie die Schwefelvernetzung entstehen zwischen den kettenförmigen Makromolekülen Brücken, die das Material elastisch und formfest machen.Elastomere werden nach Art der Hauptkette in Gruppen eingeteilt, gekennzeichnet durch den letzten Buchstaben in der Abkürzung der Kautschukmischung. Beispielsweise steht das R in Styren-Butadien (SBR), Nitril-Butadien (NBR) oder Chloropren (CR) für eine Hauptkette mit Doppelbindungen. Das M in Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) steht hingegen für eine gesättigte Hauptkette.<h2>Produzieren und verwenden</h2>Eine der am häufigsten verwendeten Kautschuksorten für synthetische Elastomere ist neben Styren-Butadien(SBR)- der Ethylen-Propylen-Dien(EPDM)-Kautschuk. EPDM ist resistent gegen Chemikalien, UV-Strahlung und Ozon sowie alterungs-, witterungs-, hitze- und kältebeständig. Der Werkstoff ist Bestandteil von Brems- und Kühlwasserschläuchen; es gibt ihn zudem als Formteile, Dichtelemente oder Förderbänder in der Industrie.Für all diese Anwendungen wird das unvernetzte Material per Schmelzextrusion in eine Form gepresst und vulkanisiert. Bei diesem Prozess härtet auch das Material in mitbeheizten Zu- oder Verteilungsleitungen der Form aus. Dadurch entstehen selbst bei fehlerfreiem Produktionsablauf vulkanisierte Produktionsabfälle – darunter Angusskanäle beim Spritzgießen und Kanten- oder Randbeschnitt bei Extrudaten –, die nach Stand der Technik nicht oder nur schwierig wiederzuverwenden sind. In einigen Fällen beträgt die Abfallmenge bezogen auf die Gesamtmenge der eingesetzten Rohstoffe mehr als die Hälfte. Dazu kommen Produktionsabfälle aus Fehlchargen aufgrund von Produktionsschwankungen, aus Anfahrprozessen oder Material- und Produktwechseln.Weil die Elastomere chemisch vernetzt sind, lassen sich gebrauchte Bauteile daraus nicht einfach umformen und wieder in den Nutzungskreislauf bringen.4) Außerdem widerstehen vernetzte Elastomere vielen Lösemitteln, Laugen und Säuren, was den Recyclingprozess erschwert. Daher ist das Recyceln von Altgummi chemisch wie verfahrenstechnisch schwierig.<h2>Recyceln durch Verbrennen</h2>Die thermische Nutzung des Energieinhalts von Altgummi ist in vielen Ländern derzeit die gängige Entsorgungsmethode. Aufgrund des Heizwerts von ungefähr 9,0 kWh·kg−1 und hoher Verbrennungstemperatur kann das Altgummi fossile Brennstoffe ersetzen, etwa in Zement- und Kraftwerken.Trotz des hohen Heizwerts und niedrigen Schwefelgehalts von durchschnittlich 1,2 Prozent1) ist die stoffliche Verwertung zu bevorzugen. Jedoch ist das werkstoffliche Recycling bis heute nicht oder nur in geringem Umfang industriell umsetzbar. Daher müssen Lösungen zur stofflichen Wiederverwertung entwickelt werden. Dabei sind die Gesamtökobilanz und damit wirtschaftliche sowie ökologische Aspekte zu beachten.<h2>Recyceln durch Mahlen</h2>Eine Möglichkeit, Elastomere werkstofflich wiederzuverwenden, besteht darin, die Abfälle möglichst fein zu mahlen und das dabei erzeugte Gummimehl als elastischen Füllstoff zusammen mit neuem Rohstoff in den Produktionskreislauf zurückzuführen. Allerdings verschlechtert das Gummimehl die Eigenschaften des Endprodukts. Daher darf der Anteil nicht mehr als 5 bis 10 Prozent betragen, damit es nicht zu starken Qualitätseinbußen kommt. Beim Spritzgießen gilt ein Anteil von 5 Prozent Produktionsabfällen ohne weitere Prüfung als tolerabel.5) Mit steigendem Anteil verändern sich die Werkstoffeigenschaften immer stärker, mehr als 20 Prozent sollten vermieden werden.6)Aus Altgummigranulaten lassen sich durch Vulkanisierung der Gummiabfälle mit Schwefel zudem niedrigwertige Produkte herstellen, etwa waschbare Fußmatten.Die Benetzung des Gummimehls mit Naturkautschuklatex7) oder flüssigem Polymer8,9) oder die Funktionalisierung10) der Oberfläche verbessern die Phasenanbindung und machen so die Verbundwerkstoffe fester.10,11)<h2>Recyceln durch Devulkanisieren</h2>Eine andere Möglichkeit, Gummiabfälle wiederzuwerten, ist die Devulkanisation.12,13) Sie zerstört die Netzwerkstruktur des Elastomers. Dazu dienen mechanische oder thermische Energie und die Behandlung mit speziellen Chemikalien, den Peptizern, darunter organische Disulfid- oder Mercaptanverbindungen, Phenylhydrazin-Eisenchloride und aliphatische Amine.So soll das Material wieder in einen fließfähigen Zustand gelangen, damit es sich erneut formen und vulkanisieren lässt. Im Idealfall sollten dabei nur die Netzknoten gelöst werden, ohne die Polymerketten zu schädigen. Dies ist allerdings kaum zu erreichen.14)Zu weiteren Problemen gehören die geringe Löslichkeit der meisten Peptizer in der Kautschukmatrix und der hohe Anteil stabiler monosulfidischer Vernetzungen im ausgehärteten Kautschuk.15) Um Monosulfid-C-S-, polysulfidische S-S- und Peroxid-C-C-Bindungen abzubauen, sind 270, 240 beziehungsweise 345 kJ·mol−1 notwendig.16)Isayev und Mitarbeiter haben die Devulkanisierung von EPDM in einem Reaktor untersucht, der aus einem Einschneckenextruder und einer Ultraschallquelle bestand.17,18) Dies ergab, wie Verarbeitungsparameter und Ultraschallbedingungen auf die Devulkanisierung wirken. Untersuchungen von Mouri und Kollegen zufolge wird die Devulkanisierung effizienter, wenn gleichzeitig Devulkanisationsmittel und Scherkräfte eingesetzt werden.19)Die Voraussetzung für den direkten Wiedereinsatz von Gummi in technischen Elastomerprodukten ist die absolute Reinheit, was nur durch die sortenreine Trennung der Produktionsabfälle sofort nach der Vulkanisation zu gewährleisten ist. Dem Wirtschaftsverband der deutschen Kautschukindustrie zufolge erfüllen bundesweit nur zirka 10 Prozent der produzierten Mengen für technische Gummiwaren diese Anforderungen.20) Ein Großteil gebrauchter und teilweise kontaminierter Gummiteile wird auf andere Weise entsorgt.Die rohstoffliche Verwertung, also nach dem Devulkanisieren, erfordert weniger Aufwand beim Sortieren sowie Reinigen und ist deshalb bei verschmutztem oder stark geschädigtem Altgummi zu bevorzugen (Abbildung S. 35). Die Anlagen dafür arbeiten noch nicht wirtschaftlich, selbst wenn das Abfallmaterial kostenlos ist. Die Investitionen und vor allem die Betriebskosten wie Druck und Wasserstoff sind bei diesem Verfahren sehr hoch. Derzeit werden solche Anlagen aus wirtschaftlichen Gründen fast ausschließlich für Problemstoffe und Sonderabfälle eingesetzt.20)<figure><img src="https://media.graphcms.com/74eI4MyQ3qkf2VkoKmEo"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Rohstoffliche Verwertung von Altgummi. i) Pyrolyse ohne O2; ii) Hydrierung; iii) Synthesegaserzeugung.</figcaption></figure>
<h2>Aktiviertes Mahlgut</h2>Das Unternehmen M.D.S. Meyer und die Universität Osnabrück haben in einem von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt geförderten Projekt ein lösungsmittelfreies Aktivierungsverfahren für Mahlgut aus EPDM-Kautschuk mit flüssigen Polymeren (LP) entwickelt (DBU 28942).21) Mit neuen Rezepturen mit Anteilen von 25 bis 50 Prozent aktivierter EPDM-Partikel entstand in einem kontinuierlichen Extruderverfahren im technischen Maßstab für Produkte brauchbarer Kautschuk. Rezepturen mit 75 Prozent aktivierten EPDM-Partikeln verschlechtern dagegen die Fließeigenschaften des Materials.Wie Untersuchungen von Lepadatu und Kollegen gezeigt haben, nehmen die LP an der Vernetzungsreaktion von EPDM-Kautschuk teil. Der Grad an ungesättigtem Ethylidennorbornen-Dienmonomer in den flüssigen Polymeren ist bei der Aktivierung wichtig. Er beeinflusst die mechanischen Eigenschaften und die Vernetzungsdichte der reaktivierten EPDM-Vulkanisate. Das optimale Volumenverhältnis von EPDM-Kautschukabfall zu flüssigem EPDM-Polymer betrug 0,8 Volumenprozent mit dem Vulkanisationssystem ZnO: Stearinsäure:CBS:S im Verhältnis 2:1:3:1,2.9,22)Die erste Ökobilanz des Verfahrens war positiv. So traten bei einer Beimischung von 25 Gewichtsprozent Rezyklat nur 75 Prozent der vorherigen CO2-Emissionen auf.21) Solch ein Verfahren spart zudem Rohstoffe sowie Deponie- und Entsorgungskosten und trägt durch einen geschlossenen Stoffkreislauf dazu bei, die Umwelt zu entlasten.<h2>Neue Verwertungskonzepte</h2>Um neue Recyclingtechniken und Werkstoffsysteme zu entwickeln, arbeiten jetzt Wissenschaftler am Campus Lingen der Hochschule Osnabrück mit Unternehmen aus der Region in einem Folgeprojekt zusammen (DBU 34250). Die neuen Techniken sollen sich vor allem für kleine und mittlere Unternehmen eignen, damit diese ihren vulkanisierten EPDM-Produktionsabfall selbstständig verwerten können. Aus dem Abfall soll ein Sekundärrohstoff entstehen, der bis zu 100 Prozent erneut in einen Verarbeitungsprozess für neue Produkte geht.Der Kernpunkt des Projekts ist die Entwicklung eines kontinuierlichen Mischprozesses mit einem Zweiwellenextruder, der die drei Verfahrensschritte Devulkanisation, Aktivierung und Mischen in einem kontinuierlichen Ein-Schritt-Prozess durchführt (Abbildung oben).<figure><img src="https://media.graphcms.com/wYxj4dCtRNC6PJct5lZc"><figcaption><label>Abb. 3: </label>Die geplanten Arbeitsbereiche zum Kautschukrecycling.</figcaption></figure>
Mit devulkanisiertem Abfallmaterial und der Oberflächenaktivierung durch LP sollen beide Verfahren zusammen mit dem Vernetzungssystem erneut ein Netzwerk aufbauen, das ähnliche Eigenschaften wie das Ursprungsmaterial hat. Das Verfahren läuft innerhalb eines geschlossenen Aggregats (Zweiwellenextruder) und erfordert keine Zwischenschritte mit dem schwierig zu handhabenden devulkanisierten Gummimehl. Es ist zu erwarten, dass der Prozess wirtschaftlicher und seine Ökobilanz günstiger sein werden als die herkömmliche mehrstufige Behandlung von Gummiabfällen bei der Rückführung in den Produktionsprozess. Produkte könnten geschäumte EPDM-Elastomere für Dämmstoffzwecke sein.Außerdem stellt sich die Frage, wie oft sich recyceltes Gummimehl in den Recyclingzyklus zurückführen lässt, und ob es möglich ist, Tertiärrohstoffe oder gar Quartärrohstoffe mit akzeptablen Kennwerten zu erzeugen.Für die Förderung des Forschungsvorhabens DBU 34250 danken die Autoren der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU); ferner den Firmen M.D.S. Meyer, Schill &amp; Seilacher sowie Lion Company für Versuchsmaterialien und die Begleitung der Arbeiten mit Beratung und Hilfe beim Transfer.<h2>Die Autorinnen</h2>Larissa Gschwind, Jahrgang 1993, promoviert an der Universität Osnabrück und ist wissenschaftliche Mitarbeiterin an der Hochschule Osnabrück im Bereich chemische Prozesstechnik. Ihr Aufgabengebiet ist das Recycling von EPDM-Gummiabfällen über Extrusion. <a href="mailto:l.gschwind@hs-osnabrueck.de">l.gschwind@hs-osnabrueck.de</a><div>
<img src="https://media.graphcms.com/JEGTNLX8R9aZM8cGbgt1">

</div>Carmen-Simona Jordan, Jahrgang 1968, leitet die Professur für Maschinenbau, insbesondere chemische Prozesstechnik am Institut für Duale Studiengänge, Fakultät Management, Kultur und Technik der Hochschule Osnabrück. Forschungsgebiete: elektroaktive Polymerwerkstoffe und Recycling. <a href="mailto:s.jordan@hs-osnabrueck.de">s.jordan@hs-osnabrueck.de</a><div>
<img src="https://media.graphcms.com/InkCZ13DRgyNHFoARqvE">


</div><h2>AUF EINEN BLICK</h2>Ein neues Projekt soll Werkzeuge zum Recycling von Elastomeren liefern, damit der Ausgangsstoff vollständig genutzt und immer wiederverwertet werden kann.Diese Recyclingtechnik ist besonders für kleinere und mittlere Unternehmen geeignet, die ihre Reststoffe selbstständig verwerten wollen.Die Technik senkt Entsorgungskosten und Energiebedarf um bis zu 50 Prozent, schont Ressourcen und reduziert den CO2-Ausstoß.
<ul><li>
1 <a href="https://www.entire-engineering.de/Altreifenrecycling" target="_blank">www.entire-engineering.de/Altreifenrecycling</a></li><li>
2 <a href="https://www.kgk-rubberpoint.de/11982/der-schwierige-spagat-zwischen-oekologischem-anspruch-und-markt-realitaet/" target="_blank">www.kgk-rubberpoint.de/11982/der-schwierige-spagat-zwischen-oekologischem-anspruch-und-markt-realitaet/</a></li><li>
3 <a href="https://www.etrma.org/statistics-2" target="_blank">www.etrma.org/statistics-2</a></li><li>
4 M. Myhre, S. Saiwari, W. Dierkes, J. Noordermeer, Rubber Chem. Technol. 2012, 85, 408</li><li>
5 W. Hellerich, G. Harsch, E. Baur, Werkstoff-Führer Kunststoffe, Carl Hanser, München, 2010</li><li>
6 S. Hoyer, L. Kroll, W. Nendel, W. Kempt, M. Kausch, A. Mittmann, A. Böhme, Gummi Fasern Kunststoff 2014, 67, 752</li><li>
7 L. White, Eur. Rubber J. 1993, Aug. 29</li><li>
8 A. M. Lepadatu, S. Asaftei, N. Vennemann, J. Appl. Polym. Sci. 2015, 132, 42097</li><li>
9 A. M. Lepadatu, S. Asaftei, N. Vennemann, Kautschuk Gummi Kunststoff 2014, 67, 41</li><li>
10 A. Spittel, R. H. Schuster, Kautschuk Gummi Kunststoff 1994, 47, 896</li><li>
11 P. S. Zutavern, R. H Schuster, Kautschuk Gummi Kunststoff 1998, 51, 94</li><li>
12 S. Ostad Movahed, A. Ansarifar, G. Zohuri, N. Ghaneie, Y. Kermany, J. Elastom. Plast. 2014, 1</li><li>
13 S. Sitisaiyidah, W. Kamaruddin, L. Natinee, T. Anoma, K. Azizon, Macromol. Symp. 2015, 354, 155</li><li>
14 B. Vega, L. Montero, S. Lincoln, N. Agullo, S. Borro, J. Appl. Polym. Sci. 2008, 108, 3, 1969</li><li>
15 M. A. L. Verbruggen, L. van der Does, J. Noordermeer, M. van Duin H. J. Manuel, Rubb. Chem. Technol. 1999, 72, 731</li><li>
16 J. Olmsted, G. William, Chemistry: the molecular science, MA: Wm. C. Brown, Boston, 1997</li><li>
17 J. Yun, A. I. Isayev, Polym. Eng. Sci. 2003, 43, 809</li><li>
18 J. Yun, V. Yashin, A. I. Isayev, J. Appl. Polym. Sci. 2004, 9, 1646</li><li>
19 M. Mouri, H. Okamoto, M. Matsushita, et al., Polym. Sci. Technol. 2000, 27, 23</li><li>
20 C. Former, E. Osen, Weinheim, Kautschuk Gummi Kunststoffe 2003, 3, 56</li><li>
21 Endbericht 2014 „Reaktivierung und Kompatibilisierung von vulkanisaten Ethylen-Propylen-Dien-Kautschukabfällen durch Quellung mit komplementären Reaktivkomponenten (QREAKT)“, Projekt Az: 28942–21/0 gefördert von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt und M.D.S. Meyer</li><li>
22 A. M. Lepadatu, Recycling of EPDM Rubber Waste Partricles by Chemical Activation with Liquid Polymers, Dissertation, Universität Osnabrück, 2015</li></ul>

Artikel

Weniger Gummiabfälle

Die Devulkanisierung – kombiniert mit der Aktivierung des Kautschuks in einem kontinuierlichen Verfahren – ist eine vielversprechende Methode, um ein Recyclingmaterial zu einem Rohstoffersatz zu verarbeiten. Ein neues Verfahren liefert chemisch aktive Gummimehlpartikel für Dämmstoffe. Im Jahr 201...

Phosphor ist lebensnotwendig. Gleichzeitig ist Phosphat eine begrenzte Ressource, und ein Zuviel in der Umwelt lässt etwa Algen zu sehr blühen. Wissenschaftler erkunden Wege, in der Landwirtschaft an diesem Rohstoff zu sparen.
Seit dem Jahr 2014 steht Phosphat in der Liste der kritischen Rohstoffe der Europäischen Union. Die Panik ist aber erst mal vorbei: Statt wie zunächst gedacht für nur noch wenige Jahrzehnte werden die natürlichen Phosphatvorkommen vermutlich doch für mehrere Jahrhunderte reichen. Das ergaben Schätzungen des International Fertilizer Development Centers im US-amerikanischen Alabama.1) Aber: „Es wird immer teurer, eine Qualität zu gewinnen, die in der Landwirtschaft einsetzbar ist”, sagt Ulrich Bathmann, Leiter des Leibniz-Instituts fürs Ostseeforschung in Warnemünde und Sprecher des Leibniz-Wissenschaftscampus Phosphorforschung Rostock. „Es werden jetzt komplexere Quellen als früher abgebaut, und diese sind oft mit Uran und Schwermetallen verunreinigt.”Eine Möglichkeit, um der drohenden Knappheit und den steigenden Preisen zu begegnen, ist es, Phosphor zu recyceln, etwa aus Klärschlamm.2) Eine andere ist, von Anfang an weniger Phosphat einzusetzen. „Lange Zeit bestand die Tendenz, lieber mal ein Schippchen Phosphat mehr ins Tierfutter zu mischen. Davon wird man wegkommen”, sagt Klaus Wimmers, Vorstand des Leibniz-Instituts für Nutztierbiologie (FBN) in Rostock. Das FBN hält etwa 60 Rinder, 800 Schweine sowie 1000 Hühner und erforscht, wie viel Phosphor die Tiere im Futter benötigen, um ausreichend versorgt zu sein – und wie sich gleichzeitig verhindern lässt, dass sie überversorgt werden und ungenutztes Phosphat über Kot und Urin abgeben (Abbildung oben). Das FBN will die Fütterungsempfehlungen für Landwirte dahingehend aktualisieren und koordiniert das EU-Projekt „Phosphoreffizienz in Huhn und Schwein“ im Rahmen der EU-Initiative „European Research Area Network on Sustainable Animal Production”.<figure><img src="https://media.graphcms.com/rhnP8LpMSatMthdwUSUA"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Schweineversuchsanlage am Leibniz-Institut für Nutztierbiologie in Rostock. Fotos: Brigitte Osterath</figcaption></figure>
Über eine Knochendichtemessung mit Mikro-Computertomographie lässt sich bestimmen, ob die Tiere ausreichend Phosphor erhalten. Das FBN untersucht zusammen mit der Uni Rostock zudem, inwieweit sich Ferkel bereits an eine niedrige Versorgung mit mineralischem Phosphor gewöhnen. Tiere, die weniger Phosphor ins Futter bekommen, passen ihren Stoffwechsel an.3)<h2>Phosphor besser nutzen</h2>„Wir haben zwei Stellschrauben”, sagt Wimmers. „Man kann die Fütterung optimieren und Tiere züchten, die den Phosphor besser nutzen.” Anders als bei Wiederkäuern ist bei Schweinen und Hühnern die Phosphorverdauung problematisch, da ihnen das Enzym Phytase fehlt. Es setzt Phosphat aus Phytat frei, einer pflanzlichen Phosphorverbindung.Schweine verdauen zirka 15 Prozent des Phosphors etwa aus Körnermais, der Rest wandert ungenutzt ins Freie. Aus Weizen nutzen sie ungefähr 65 Prozent. Wie effizient ein Tier Phosphor umsetzt, hängt also von der Tierart und dem Futter ab.Nicht nur vom Futter, sagt Henry Reyer vom Institut für Genombiologie des FBN. „Die Phosphoreffizienz hat eine erbliche Komponente“ – das haben Untersuchungen an fast 900 Tieren einer Hausschweinrasse gezeigt.4) Ein Züchter könnte bei der Schweinezucht auf Phosphoreffizienz selektieren. Mit einem Chip prüfen die Forscher bei jedem Schwein 60 000 Erbgutmarker; einige hundert sind relevant für die Phosphatkonzentration im Tierblut (Abbildung rechts).<figure><img src="https://media.graphcms.com/IMKaI28lQOae6W6WSmc7"><figcaption><label>Abb. 2: </label>SNP-Chip, der zeigt, welche Erbgut-Variationen ein Schwein hat (Einzelnukleotid-Polymorphismus, single nucleotide polymorphism, SNP). Er analysiert insgesamt 60 000 Genorte.</figcaption></figure>
Allerdings warnt Reyer davor, dahingehend zu züchten. „Erst müssen wir untersuchen, welche Wirkungen das Merkmal Phosphoreffizienz etwa auf das Immunsystem mit sich bringt.” Es ist zu prüfen, wie viel Phosphor ein Tier aufnimmt, wie viel es im Knochen einlagert und wieder daraus mobilisiert. Da die Immunvorläuferzellen im Knochenmark entstehen, könnte eine veränderte Phosphorversorgung des Tiers unerwünschte Effekte auf sein Immunsystem und damit seine Gesundheit haben.<h2>Weniger aufs Feld</h2>„In den viehhaltungsintensiven Regionen Nordrhein-Westfalens sind manche Böden so gut mit Phosphor versorgt, dass man dort je nach Ackerkultur für die nächsten 20 bis 40 Jahre komplett auf Phosphatdüngung verzichten könnte – und das ohne Ertragsverluste”, sagt Heiner Goldbach, emeritierter Professor am Institut für Nutzpflanzenwissenschaften und Ressourcenschutz der Uni Bonn. Die Düngeverordnung aus dem Jahr 2017 schreibt den Landwirten vor, den Phosphateintrag in die Umwelt zu reduzieren.Die Ausbeute eines Ackers hängt nicht direkt von der ausgebrachten Menge an Phosphatdünger ab, ergab eine Metaanalyse von 30 Düngungsfeldversuchen in Deutschland und Österreich.5) Viel hilft demnach nicht unbedingt viel. Entscheidend für den Ertrag ist vielmehr, wie pflanzenverfügbar der Phosphor im Boden ist, welchen pH-Wert und wie viel organische Substanz der Boden hat, welchen Dünger der Landwirt einsetzt und was auf dem Feld wächst.Genauso wie Tiere lassen sich Pflanzen für die P-Aufnahme optimieren, sodass sie mit spärlicher vorhandenem Phosphor besser zurechtkommen. „Die Wurzelbiologie gewinnt an Bedeutung”, sagt Christel Baum, wissenschaftliche Mitarbeiterin an der agrar- und umweltwissenschaftlichen Fakultät der Uni Rostock. Unter den bisherigen überdüngten Bedingungen spielte die Wurzel bei der Pflanzenzucht keine Rolle, es lohnt sich aber vermutlich, beispielsweise Pflanzen mit längerem und voluminöserem Wurzelwerk zu züchten, das Phosphor aus dem Boden besser aufnimmt.Mikroorganismen können hier helfen. Viele Nutzpflanzen, darunter Mais, gehen eine Symbiose mit Pilzen im Boden ein, den Mykorrhizapilzen. Sie helfen der Pflanze dabei, das Phosphat im Boden zu erreichen und setzen es zudem aus den Phytaten und aus Calciumphosphaten frei. „Die Bedeutung dieser Symbiose steigt, wenn weniger gedüngt wird”, sagt Baum. Die Symbiosebildung mit Mykorrhizapilzen im Boden sei in den Jahren der starken Düngung zurückgegangen, lässt sich aber fördern. Dazu gehört unter anderem flacheres und weniger intensives Pflügen. Auch sollten Landwirte ein Feld möglichst durchgängig kultivieren und nicht brach liegen lassen.Leguminosen wie Lupinen eignen sich als Zwischenfrucht besonders gut, um Phosphate besser verfügbar zu machen: Mit ihren bis zu 1,5 Meter langen Pfahlwurzeln erschließen sie Phosphat auch aus dem Unterboden und machen es für Folgekulturen leichter erreichbar.<h2>Vom Aquarium ins Gewächshaus</h2>An der Uni Rostock, am einzigen Lehrstuhl für Aquakultur in Deutschland, arbeiten Wissenschaftler an einer weiteren Möglichkeit, Phosphat besser zu nutzen. In ihrem Fischglashaus bewässern sie Hydrokulturen mit Prozesswasser aus der Fischzucht nebenan. Aquaponik nennt sich diese Kopplung von Aquakultur und Pflanzenproduktion in Hydrokultur, der Hydroponik.Die Forscher ziehen Afrikanische Raubwelse (Clarias gariepinus) groß (Abbildungen S. 40). Sobald diese 1,5 Kilogramm schwer sind, gehen sie als Speisefische in den Handel.<figure><img src="https://media.graphcms.com/BxPTBn2RzCzReM4YVc67"><figcaption><label>Abb. 3: </label>Fischzucht an der Universität Rostock. Fischereibiologe Adrian Bischoff-Lang mit Afrikanischem Raubwels.</figcaption></figure>
Wie alle Tiere scheiden Afrikanische Welse Phosphat aus. Das Wasser aus den Becken pumpen die Forscher ins Gewächshaus. Dort wachsen Pflanzen und entziehen dem Wasser dabei Phosphat, Nitrat und andere Nährstoffe (Abbildung unten). Das derart gereinigte Wasser geht anschließend zurück. „Wir müssen nur noch 10 Prozent Frischwasser zuführen”, sagt Fischereibiologe Adrian Bischoff-Lang. Bei gewöhnlichen Aquarien ohne Kreislaufführung sind es im Durchschnitt 20 bis 30 Prozent.<figure><img src="https://media.graphcms.com/yhJRDTFRW2t2wCHlOA3v"><figcaption><label>Abb. 4: </label>Gewächshaus am Institut für Aquakultur der Universität Rostock. Hier bereiten Forscher Versuche zum Aquaponik-Farming vor.</figcaption></figure>
Solche geschlossenen Kreislaufsysteme sind dem Bund für Umwelt und Naturschutz Deutschland (BUND) zufolge umweltfreundlicher als eine offene Aquakultur im Meer. Diese schädigt mit ihren phosphat- und nitratreichen Abwässern etwa die Ökosysteme von Küstengewässern.<h2>Wels-Basilikum-Kreislauf</h2>Klassische Nutzpflanze in der Aquaponik war lange die Tomate. „Aber bei den vielen Gewächshäusern in den Niederlanden, die Tomaten anziehen, ist das nicht wirtschaftlich”, sagt Harry Palm, Fischereibiologe und Professor für Aquakultur. „Gut funktioniert stattdessen der Anbau von Basilikum und Minze. Für Kräuter gibt es in Deutschland einen guten Markt.” Laut Palm wirkt das Wasser, das aus der Basilikumzucht wieder zurück ins Fischhaus gepumpt wird, positiv auf das Wohlbefinden der Fische. „Sie haben dann weniger Bisswunden, also weniger Stress. Wir wissen aber bisher nicht, woran das liegt.” Palm tippt auf Phytohormone oder auf das Mikrobiom in der Basilikumwurzel, die mit dem Kreislaufwasser die Fischbecken erreichen.Zwischen 10 und 16 Prozent des Phosphors, der über das Tierfutter ins Fischbecken gelangt, ist hinterher gelöst im Prozesswasser, ergab eine Bewertung des Elementekreislaufs.6) Den größten Teil, bis zu 64 Prozent, nehmen die Welse auf. „Im Filet, das in den Restaurants landet, sind allerdings nur 42 Prozent”, sagt Palm. „Viel Phosphor steckt in den Karkassen, in den Knochen beispielsweise, und in den festen Ausscheidungen der Fische.” Die Universität Rostock forscht im Rahmen des Phosphor-Wissenschaftscampus daran, den Phosphor aus dem Fischkot nutzbar zu machen.Neuestes Projekt der Gruppe um Harry Palm ist das Aquaponik-Farming. Dabei gelangt nach wie vor das Prozesswasser aus der Fischzucht ins Gewächshaus. Statt in Hydrokultur wachsen die Pflanzen dann aber in Erde. Erste Versuche im Fischglashaus der Uni Rostock laufen mit Weizengras. Grundsätzlich wäre es zudem denkbar, mit dem Prozesswasser eine Apfelbaumplantage oder ein Maisfeld zu bewässern.Die promovierte Chemikerin Brigitte Osterath berichtet als Wissenschaftsjournalistin nicht nur aus Deutschland. <a href="https://www.writingscience.de" target="_blank">www.writingscience.de</a><h2>AUF EINEN BLICK</h2>Die natürlichen Phosphatvorkommen sind immer schwerer auszubeuten und enthalten Schwermetalle.Die Düngeverordnung aus dem Jahr 2017 schreibt vor, den Phosphateintrag in die Umwelt zu reduzieren.Tiere und Pflanzen, die wenig Phosphor bekommen, passen ihren Stoffwechsel an.
<ul><li>
1 S. van Kauwenbergh, World Phosphate Rock Reserves and Resources, International Fertilizer Development Center, Alabama, 2010</li><li>
2 J. Krämer, M. Bertau, Nachr. Chem. 2019, 67(5), 26</li><li>
3 C. Gerlinger, M. Oster, L. Borgelt et al, Nutrients 2019, 11, 436</li><li>
4 H. Reyer, M. Oster, D. Wittenburg et al., Front. Genet. 2019, 10, 590</li><li>
5 U. Buczko, M. van Laak, B. Eichler-Löbermann et al., Ambio 2018, 47, 50</li><li>
6 S. M. Strauch, L.. C. Wenzel, A. Bischoff et al, Sustainability 2018, 10, 1805</li></ul>

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