Stickstoffmess- und Analysesystem

Die langjährige Überdüngung in der Landwirtschaft gefährdet die Grundwasserqualität sowie die Bodengesundheit und trägt (in geringem Maße) zur Emission von Treibhausgasen bei (CO2, N2O). Nicht nur in Bezug auf die von der EU-Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) geforderte und oft verfehlte Grundwasserqualität, sondern auch in Bezug auf die hohen Anforderungen des zu erwartenden Bodengesundheitsgesetzes werden die kostspieligen episodischen Laboruntersuchungen zertifizierter Umweltanalyselabore durch schnelle und einfachere Analyseverfahren auf dem Feld, teilweise im laufenden Betrieb, verdichtet werden müssen. Die Bestimmung des mineralischen Stickstoffgehalts im Form von NH4+ (Ammonium) und NO3- (Nitrat) ist dabei eine wesentliche Komponente. In diesem Arbeitspaket konzentrieren wir uns auf die Messung von Nitrat. Da der Eintrag von Nitrat über die aktuelle Aufnahmekapazität der Pflanzen hinaus die Trinkwasserversorgung aus dem Grundwasser gefährdet und diese Überdüngung gleichzeitig einen unnötigen finanziellen Verlust für den Landwirt darstellt, wird ergänzend zu den oberflächennahen Messungen (z.B. mit LIPS) ein Messverfahren zur Detektion des Nitrat-Transports über das Bodenwasser in tiefere Bodenschichten (> 0.5m) entwickelt. Die Herausforderung besteht darin, eine kleine kompakte Nitrat-Sonde zu bauen, die mindestens eine Saison im Boden verbleiben kann (am besten komplett vergraben) und in der Lage ist, den Nitratgehalt im Bodenwasser zu bestimmen. Dazu muss dieses kleine Analyselabor das Bodenwasser zunächst extrahieren und dann dem Analysator zuführen. Vom Landesamt für Natur-, Umwelt- und Verbraucherschutz (LANUV) des Landes NRW sind fünf Verfahren zur Nitratbestimmung zugelassen und von zertifizierten Laboren zu verwenden. Die beiden am häufigsten eingesetzten Labor-Messverfahren sind die Flüssigkeits-Ionenchromatographie (DIN EN ISO 10304-1) und die Photometrische Bestimmung (DIN 38405-9). Beide Verfahren nach DIN lassen sich jedoch nicht miniaturisieren und nicht für die geplante Mini-Sonde nutzen. Weitere Analyseverfahren zur Nitratbestimmung sind ionenselektive Elektroden sowie die UV-Spektroskopie, kombiniert mit Fluoreszenz-Spektroskopie (israelisches Patent, ggf. Kooperation), die wir evaluieren werden. Zusätzlich wollen wir gemeinsam mit internationalen Spezialisten (Kolumbien, USA) daran arbeiten, ionenselektive aktivierte Oberflächen herzustellen und mit Mikrofluidik zu kombinieren. Zusammenfassend sind die Herausforderungen: Geeignetes Analyseverfahren identifizieren bzw. entwickeln, Bodenwasserextraktion realisieren, Low Power Design für Batteriebetrieb, Funkübertragung der Messdaten aus dem Boden, Funk-Leuchtfeuer (Beacon) zum Wiederfinden der im Boden vergrabenen Geräte.