Wasserlinsen als Phosphor-Recycler

Johann Liebeton und Leon Werner, Studenten der TU Darmstadt, haben schon zu Schulzeiten begonnen, sich mit einem wichtigen Thema wissenschaftlich auseinanderzusetzen: der essentiellen, aber knapper werden Ressource Phosphor. Gemeinsam forschen Sie an kleinen Pflänzchen, den Wasserlinsen, um ihrer große Vision eines nachhaltigen Phosphatzyklus ein Stück näher zu kommen.

Phosphor (P) ist für alle Lebewesen ein essentieller Makronährstoff und damit auch für das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen unverzichtbar. Für sie ist er jedoch nur in Form von Phosphaten für den Stoffwechsel verfügbar. Pflanzen nehmen den Nährstoff über die Wurzeln aus dem Boden auf. Da jedoch nur ein geringer Anteil des im Boden befindlichen Phosphors pflanzenverfügbar ist, muss die Landwirtschaft auf Phosphatdu?nger zurückgreifen.

Phosphorbedarf steigt, Phosphorvorräte sinken

Da beginnt das Problem: Phosphor lässt sich weder synthetisch herstellen, noch durch andere Stoffe ersetzen. Dazu kommt, dass die natürlichen Reserven ungleich auf der Welt verteilt sind. Die größten Vorräte befinden sich in Afrika, vor allem in Marokko bzw. in der Westsahara. Deutschland hingegen ist nahezu vollständig auf Importe angewiesen. Oft werden daher Parallelen zum Erdöl gezogen. Man spricht in Anlehnung an das globale Ölfördermaximum „Peak Oil“ auch vom „Peak Phosphor“, der Experten zufolge noch in diesem Jahrhundert erreicht werden soll. Danach wird es langsam immer knapper mit diesem Rohstoff.

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Kritisch ist auch, dass die Phosphorförderung mit hohen Umweltbelastungen einhergeht und die Minen mit Schwermetallen und radioaktiven Isotopen belastet sind. Der Abbau wird zunehmend aufwändiger und da zeitgleich der Bedarf immer weiter steigt, steigen mit ihm auch die Preise für den wertvollen Rohstoff.

Zu viele Phosphate lassen Gewässer „kippen“

Doch damit nicht genug. Ein großer Teil des als Pflanzendünger ausgebrachten Phosphats geht unwiederbringlich verloren. Große Mengen gelangen beispielsweise durch Auswaschung in Gewässer und lagern sich im Sediment ab. Eine übermäßige Nährstoffanreicherung, vor allem von Phosphaten und Nitraten, kann Gewässer ins Ungleichgewicht bringen. Es drohen Algenblüten und ein „Kippen“ dieser Biotope (Eutrophierung).

Phosphat-Rückgewinnung durch kleine Helfer untersucht

Um aquatische Ökosysteme vor Überdüngung zu schützen, haben sich die Studenten Johann Liebeton und Leon Werner der Technischen Universität Darmstadt ein Konzept der Phosphorrückgewinnung überlegt, das sie seit einigen Jahren im Labor untersuchen. „2009 haben wir einen Artikel über die Phosphat-Problematik gelesen und uns gedacht: Das müsste man doch eigentlich lösen können. Denn auf der einen Seite ist zu viel da und auf der anderen zu wenig!“, beschreibt Johann Liebeton die Anfänge, noch zu Schulzeiten. 

Sie machten sich alsbald im Schülerlabor ans Werk und untersuchten zunächst, ob die Oberflächengewässer auch in ihrer Heimatregion mit Phosphat belastet sind. Sie nahmen über 20 Proben unterschiedlicher Gewässer und testeten die Phosphatkonzentration. Und siehe da: In vielen Proben wurde eine zu hohe Phosphat-Konzentration gefunden, die teilweise das 50-Fache des natürlichen Grenzwerts (0,05-0,07 mg/L) betrug. Dann überlegten sie, wie man das überschüssige Phosphat aus Gewässern auf biologischem Weg binden könnte. Bei ihrem selbstinitiierten Forschungsprojekt fanden sie schließlich die geeignete Versuchspflanze: die Kleine Wasserlinse (Lemna minor). Ihr Projekt tauften sie daher „Lemnaquatic“.

Ihre Vision ist simpel: Die Wasserlinsen haben die Aufgabe, das Phosphat aus dem Wasser aufzunehmen und zu speichern. Anschließend kann man die Pflänzchen von der Wasseroberfläche ernten und weiterverwenden. Beispielsweise zur Energieerzeugung durch Nutzung als Rohstoff für Biogasanlagen. Die Reststoffe könnten dann als organischer Dünger wieder auf die Ackerböden gelangen und den Kreislauf schließen. 

Vorteile und Herausforderungen

Der Vorteil der kleinen linsenförmigen Pflanzen ist, dass sie schnell wachsen und für die Phytoremediation von Oberflächengewässern bestens geeignet sind. Auch Ergebnisse der beiden Nachwuchsforscher zeigten, dass der Phosphatgehalt belasteter Wasserproben innerhalb weniger Wochen durch Wasserlinsen zu 99 Prozent gesenkt werden konnte (von 4 mg/L auf ca. 0,04 mg/L). Die Wasserlinsen hatten die Nährsalze in ihrer Biomasse gebunden. Die beiden Studenten sind daher optimistisch, dass die Wasserlinsen in einigen Regionen der Erde als kostengünstiger Phosphor-Recycler eingesetzt werden könnten.

Bei der praktischen Umsetzung gibt es jedoch noch eine Menge Herausforderungen: Wasserlinsen wachsen nämlich nur auf ruhigen Gewässern und mögen hohe Temperaturen. Zudem wären sie am Ende nicht direkt als Dünger einsetzbar – der in ihnen gebundene Phosphor ist erst nach Abbauprozessen durch Mikroorganismen für Pflanzen verfügbar. Auch beim Thema Upscaling ihrer Laborversuche auf größere Maßstäbe sehen die beiden Nachwuchsforscher Hürden auf sie zukommen. „Wir haben natürlich nicht die einzig mögliche Lösung gefunden. Aber wir finden, dass man sich mit der Problematik auseinandersetzen sollte und erforschen daher eine Idee, um den Nährstoff aus Gewässern zu entfernen und wieder zu nutzen“ wendet Johann ein. 

Ein langer Prozess

Dass Forschung immer auch ein Prozess ist, bei dem man flexibel sein muss, das haben die beiden schnell herausgefunden. Die ersten Versuche fanden noch mit Mikroalgen statt. „Wir haben dabei festgestellt, dass es aufwändig ist, die Mikroalgen wieder aus dem Wasser zu bekommen. Wasserlinsen eignen sich besser für unsere Zwecke, da sie auf der Oberfläche schwimmen, damit leicht entfernbar sind und Phosphat sogar noch besser binden“, rekapituliert Leon Werner. 

Faszination Forschung

Doch ohne Unterstützung geht es nicht. „Wir hatten am Anfang Starthilfe: Mein Vater ist Biologe und nachdem ich ihm Löcher in den Bauch gefragt habe, gingen wir in der Schule auf einen Lehrer zu, der uns dabei unterstützt hat, am „Jugend forscht“-Wettbewerb teilzunehmen“, erklärt Johann. Ihr Einsatz hat sich bisher gelohnt: 2015 und 2016 belegten sie den zweiten Platz bei „Jugend forscht“ beim Landeswettbewerb Hessen in der Sparte Biologie. Auch andere Förderpreise und Sachsponsorings treiben ihre Arbeit voran. Kürzlich besuchte sie sogar Bundeswirtschaftsministerin Brigitte Zypries im Labor, um mehr über das Projekt zu erfahren.

„Wir haben glücklicherweise viele Förderer aus der Wirtschaft gefunden, die uns bei unserem Projekt unterstützen und wir sind ihnen sehr dankbar. Nur so können wir prüfen, ob unsere Idee gut ist“, sagt Johann. Und auch die Forschungstätigkeit an sich ist mittlerweile vom Schülerlabor umgezogen in ein Labor der Arbeitsgruppe Chemische Pflanzenökologie der TU Darmstadt, das sie mitbenutzen dürfen.

Leider gehören auch Rückschläge dazu: „Unser diesjähriger Düngeversuch mit Weizenpflanzen fiel dem Wetter und Pilzen zum Opfer“, sagt Johann. Aber beide sind sich einig, dass sie weiter forschen wollen. Denn es macht ihnen einfach Spaß!