Al meer dan 100 jaar, biochar, een koolstofrijke, houtskoolachtige substantie gemaakt van zuurstofarme planten of ander organisch materiaal, heeft wetenschappers zowel verheugd als verbaasd. Als bodemadditief, biochar kan koolstof opslaan en zo de uitstoot van broeikasgassen verminderen, en het kan voedingsstoffen langzaam afgeven om als een niet-giftige meststof te werken.

Maar de precieze chemie waarmee biochar voedingsstoffen opslaat en plantengroei bevordert, is een mysterie gebleven, dus zijn commerciële potentieel is ernstig beperkt.

Nutsvoorzieningen, een internationaal team van onderzoekers, met belangrijke bijdragen van experts van de Colorado State University, heeft ongekende details en mechanistisch begrip van de schijnbaar wonderbaarlijke eigenschappen van biochar verlicht. De Natuurcommunicatie studie, geleid door de Duitse universiteit van Tübingen en gepubliceerd op 20 oktober, toonde aan hoe compostering van biochar een zeer dunne organische coating creëert die de bemestingscapaciteiten van biochar aanzienlijk verbetert. Een combinatie van geavanceerde analytische technieken bevestigde dat de coating de interacties van de biochar met water en zijn vermogen om bodemnitraten en andere voedingsstoffen op te slaan, versterkt.

Dit verbeterde begrip van de eigenschappen van biochar zou kunnen leiden tot een meer wijdverbreide commercialisering van biochar-meststoffen. Een dergelijke verandering zou de wereldwijde afhankelijkheid van anorganische stikstofmeststoffen, die al meer dan een eeuw als moderne werkpaarden voor de voedselproductie hebben gediend, kunnen verminderen.

De internationale samenwerking omvatte Thomas Borch van CSU, hoogleraar bij de vakgroep Bodem- en Gewaswetenschappen met gezamenlijke aanstellingen in de chemie en civiele en milieutechniek, en onderzoekswetenschapper Robert Young. Het CSU-team droeg massaspectrometrie met hoge resolutie bij, uitgevoerd in het National High Magnetic Field Laboratory van de Florida State University. Hun gegevens hielpen de samenstelling van de koolstofcoating op nanoschaal van de biochar te bevestigen.

"Het is bijna onmogelijk om een ​​superdunne koolstofcoating op een koolstofsubstraat te karakteriseren, "Zei Borch. "Ons internationale team gebruikte veel verschillende geavanceerde technieken om de analyses uit te voeren. Robert Young leidde de bijdrage van onze groep op het gebied van massaspectrometrie met ultrahoge resolutie om de coating te onderzoeken en de elementaire samenstelling ervan te onderzoeken."

De studie werd geleid door Andreas Kappler, van het Centrum voor Toegepaste Geowetenschappen aan de Universiteit van Tübingen, en geo-ecoloog Nikola Hagemann. De auteurs wilden biochar voor en na compostering met gemengde mest onderzoeken. Met behulp van een combinatie van microscopische en spectroscopische analyses, de onderzoekers ontdekten dat opgeloste organische stoffen een sleutelrol speelden bij de compostering van biochar en de dunne organische coating creëerden.

"Deze organische coating maakt het verschil tussen verse en gecomposteerde biochar, Kappler zei. "De coating verbetert de eigenschappen van biochar om voedingsstoffen op te slaan en verdere organische bodemsubstanties te vormen." Hagemann voegde eraan toe dat de coating zich ook ontwikkelde toen onbehandelde biochar in de bodem werd geïntroduceerd - alleen veel langzamer. Composteringsexperimenten werden uitgevoerd op een kleinschalige commerciële schaal gebruikmakend van infrastructuur en expertise van het Ithaka Instituut in Zwitserland.

Overmatig gebruik van minerale stikstofmeststoffen of drijfmest in de landbouw heeft ernstige gevolgen voor het milieu. Dergelijke meststoffen veroorzaken de uitstoot van lachgas en leiden tot uitspoeling van nitraten naar het grondwater. Als milieuvriendelijk alternatief, wetenschappers hebben voorgesteld om biochar als voedingsstof aan de bodem toe te voegen. Maar het gebruik van biochar op grote schaal was economisch niet haalbaar omdat er zo weinig bekend was over hoe het precies nitraten opslaat en afgeeft.

"Bij de productie van landbouwgewassen, hogere opbrengsten treden meestal alleen op als biochar wordt toegepast samen met nutriënten uit niet-verkoolde biomassa zoals drijfmest, "Zei Hagemann. "Het gebruik van biochar zonder toevoeging van voedingsstoffen of met pure minerale voedingsstoffen is in veel experimenten veel minder succesvol gebleken."