Açaí-Rückstände werden zu Nanodünger für Mais und Sorghum.

Forscher von Embrapa und der Bundesuniversität von Ceará (UFC) haben einen Nanodünger aus Açaí-Samen entwickelt, der das Wachstum von Mais und Sorghum fördert. In Versuchen steigerte die Anwendung geringer Dosen des Produkts (10 Milligramm pro Liter) das relative Pflanzenwachstum um 24 % bei Mais und um 164 % bei Sorghum. Auch das Wurzelvolumen nahm im Vergleich zu unbehandelten Kontrollpflanzen um 23 % bzw. 59 % zu.

Die Açaí-Samen sind ein Nebenprodukt, das in der agroindustriellen Verarbeitung kaum genutzt wird. Für jede Tonne Früchte, die zur Fruchtfleischgewinnung verwendet wird, fallen etwa 700 Kilogramm Samen an, die üblicherweise entsorgt oder als Brennstoff in Kesseln verwendet werden.

Für die Versuche wurden die Maissorte BRS-Gorutuba und die Sorghumsorte 2502 verwendet; beide zeichnen sich durch einen kurzen Wachstumszyklus aus und werden für den Anbau in semiariden Regionen empfohlen. Das ausgeprägtere Wurzelsystem, insbesondere bei Sorghum, ermöglicht den Pflanzen eine effizientere Bodenerschließung und fördert so ihr Überleben.

Der neue Nanodünger wird aus Açaí-Samenpulver in einem Verfahren namens Hydrothermalsynthese hergestellt. Das Ergebnis sind fluoreszierende Nanopartikel, sogenannte Kohlenstoff-Quantenpunkte, mit einer Größe von etwa vier Nanometern.

Diese Partikel dringen mit hoher Effizienz in das Blattgewebe ein. Im Inneren der Pflanze transportieren sie nicht nur essentielle Mineralstoffe, sondern fungieren auch als Antennen, die ultraviolette Strahlung einfangen und daraus blaues Licht abgeben. Dieses Licht stimuliert das photochemische System der Pflanze und steigert so die Effizienz der Photosynthese. 

Der Forscher Cláudio Carvalho von Embrapa Agroindústria Tropical (CE) erklärt, dass Nanodünger aufgrund ihrer reduzierten Partikelgröße effizient in das Pflanzengewebe eindringen und Nährstoffe direkt auf Zellebene abgeben, wodurch die Aufnahme im Vergleich zu herkömmlichen Blattdüngern erhöht wird. Sie sind außerdem an Energietransferprozessen innerhalb der Zellen beteiligt und liefern bioaktive Verbindungen, die die Aktivität von Enzymen, beispielsweise solchen, die an der Bekämpfung von oxidativem Stress beteiligt sind, stimulieren können.

Carvalho ergänzt, dass Nanodünger mit geringeren Dosierungen überlegene Ergebnisse erzielen und so die Anwendungskosten sowie potenzielle Umweltauswirkungen reduzieren. „Im Vergleich zu herkömmlichen Düngemitteln führen Nanodünger in der Regel zu weniger Oberflächenabfluss und geringerer Belastung von Böden und Gewässern, wodurch sie potenziell nachhaltiger sind“, so sein Fazit.

Vom Abfall zum Reichtum

„Trotz der begrenzten Anzahl an Studien über die Verwendung von Açaí-Samen im kleinen Maßstab als Biokohle, zur Bioenergieerzeugung oder zur Entwicklung von Verbundwerkstoffen sammelt sich dieser Reststoff in der Regel in den urbanen Zentren der Anbauregionen und in Großstädten an“, sagt der Forscher.

Er erklärt, dass der Açaí-Samen ein „natürliches Überlebenspaket“ darstellt, das Nährstoffe enthält, die die Pflanze benötigt, um sich in unwirtlichen Umgebungen zu etablieren. Dieser Nährstoffreichtum macht den Açaí-Kern zum idealen Ausgangsmaterial für Nanodünger. „Das ist ein sinnvolles Ziel, das die Biomasse aufwertet und gleichzeitig zumindest einen Teil der mineralischen Nährstoffe, hauptsächlich Mikronährstoffe, in die Anbaugebiete zurückführt und so Düngemittel einspart“, sagt er.

Laut dem Wissenschaftler plant die Gruppe, das Produkt an weiteren Pflanzenarten wie Bohnen, Süßkartoffeln, Kürbissen, Gemüse und auch an Açaí-Palmensetzlingen zu testen. „Nach Abschluss des Produktionsprozesses und der Skalierung könnte der Nanodünger eine hervorragende und sichere Möglichkeit darstellen, Nährstoffe in den Produktionskreislauf zurückzuführen – sei es in den Açaí-Palmen selbst, in Baumschulen, im geschützten Anbau oder in anderen Anwendungsbereichen“, fügt er hinzu. 

„In Brasilien fallen große Mengen an agroindustriellen Abfällen an, insbesondere in der Amazonasregion, die einen reichlich vorhandenen und kostengünstigen Rohstoff darstellt“, erklärt Professor Pierre Fechine (Foto unten), Koordinator des Labors der Arbeitsgruppe für fortgeschrittene Materialchemie (GQMat) an der UFC, einem Partner in diesem Forschungsprojekt. Er fügt hinzu, dass auch regulatorische und Sicherheitsstudien für die großflächige landwirtschaftliche Nutzung erforderlich sein werden.

Wissenschaftlicher Fortschritt 

Die Ergebnisse wurden in dem Artikel „Kohlenstoffbasierte Nanopigmente aus Açaí-Samenresten mit einstellbaren optischen Eigenschaften und biofunktionaler Leistung“ in der internationalen Fachzeitschrift Dyes and Pigments veröffentlicht. „Wir haben gezeigt, dass ein normalerweise im Abfall landender Reststoff in ein intelligentes Material umgewandelt werden kann, das mit biologischen Systemen interagiert und messbare Auswirkungen auf das Pflanzenwachstum hat“, so der Professor.

Er erklärt, dass vor dem Erreichen der ländlichen Produzenten noch einige Herausforderungen bewältigt werden müssen. Die größte Herausforderung besteht darin, die Qualität und Reproduzierbarkeit des Materials beim Übergang vom Labormaßstab zum industriellen Maßstab zu gewährleisten. „Im Labor arbeiten wir mit kleinen Mengen und kontrollieren die Synthesebedingungen streng. In einer Fabrik muss sichergestellt werden, dass jede Charge die gleichen chemischen, optischen und biologischen Eigenschaften aufweist“, erläutert er. Eine weitere Herausforderung ist die Optimierung der Produktionskosten, einschließlich Energieverbrauch, Materialreinigung und Logistik der Biomasse-Sammlung. 

Warum sollte man Kohlenstoff-Quantenpunkte erforschen?

Kohlenstoff-Quantenpunkte sind extrem kleine Nanopartikel, tausendfach kleiner als ein menschliches Haar. Trotz ihrer geringen Größe besitzen sie ganz besondere Eigenschaften, vor allem die Fähigkeit, Licht zu absorbieren und zu emittieren. 

Sie wurden Anfang der 2000er-Jahre zufällig im Rahmen von Studien zu Kohlenstoffnanoröhren entdeckt. Seitdem haben sie enormes wissenschaftliches Interesse geweckt, da sie relativ einfach herzustellen sind, eine geringe Toxizität aufweisen und aus natürlichen Materialien und organischen Abfällen gewonnen werden können. 

Heute werden Kohlenstoff-Quantenpunkte für Anwendungen in chemischen Sensoren, der medizinischen Diagnostik, der Biobildgebung, Solarzellen, LEDs, der Wasseraufbereitung und der Landwirtschaft erforscht. In der Landwirtschaft können sie als Pflanzenwachstumsstimulatoren wirken, die Lichtausbeute der Pflanzen erhöhen und den Nährstofftransport unterstützen, wodurch sie zu effizienteren und nachhaltigeren Produktionssystemen beitragen.

In einer von Embrapa und UFC durchgeführten Studie wurde kohlenstoff- und mineralstoffreiches Açaí-Samenpulver in Hochdruckreaktoren unter extremen Bedingungen über mehrere Stunden hohen Temperaturen ausgesetzt – ein Verfahren, das als Hydrothermalsynthese bezeichnet wird. Unter diesen Bedingungen zersetzen sich die organischen Moleküle des Samens und ordnen sich zu Kohlenstoff-Quantenpunkten und anderen Substanzen mit biologischer Aktivität in Pflanzen um, darunter Vorstufen von Pflanzenhormonen.