Ein Lab-on-Chip-Ansatz für genaue Messungen des Bodennährstoffgehalts
Düngemittel liefern wichtige Nährstoffe, die den landwirtschaftlichen Ertrag steigern. Eine verbesserte landwirtschaftliche Erzeugung ist sowohl ein wirtschaftlicher Anreiz für Landwirtschaftsbetriebe als auch eine Herausforderung für die wachsende Weltbevölkerung. Studien zeigen jedoch, dass bis zu 60 % der landwirtschaftlichen Nutzflächen in der Europäischen Union überdüngt werden – mit negativen Auswirkungen auf die biologische Vielfalt, die Wasserqualität und die landwirtschaftlichen Erträge. Landwirtschaftsbetriebe benötigen genaue Informationen über die Vorgänge im Boden, und das EIC-finanzierte Projekt SOILMONITOR(öffnet in neuem Fenster) hat die Lösung dafür: ein Miniaturgerät für die Bodenuntersuchung, das auf die jährliche Entnahme von einhundert Proben und die Analyse der Proben auf wichtige Nährstoffe ausgelegt ist. Die Bereitstellung dieser richtigen und kontinuierlichen Informationen an Landwirtschaftsbetriebe ermöglicht eine maßgeschneiderte Düngung, die die pflanzliche Erzeugung optimiert und gleichzeitig negative Auswirkungen auf die Umwelt minimiert.
Eine Lab-on-Chip-Bodenüberwachung für Landwirtschaftsbetriebe
Das nach dem Projekt benannte Bodenüberwachungsgerät mit der Bezeichnung „Soilmonitor“ wurde an der Universität Kiel in Deutschland entwickelt, und baut auf dem vorherigen Projekt BEAMOLED auf. Zum multidisziplinären Team zählten Fachleute aus den Bereichen Verfahrenstechnik, elektrotechnische Industrie, Bodenkunde und Wirtschaftswissenschaft. Das Lab-on-Chip-System (25 cm × 15 cm × 10 cm) ist etwa so groß wie ein Schuhkarton und wird in einer Tiefe von 30 bis 60 cm unter der Erde vergraben. Die Entnahme von Bodenwasser erfolgt über ein poröses Ansaugelement aus Aluminiumoxidkeramik und eine peristaltische Pumpe. Die Probennahme bei sandigen Böden ist zwar grundsätzlich einfacher, dank der geringen Probenmenge, die für die Bodenanalyse benötigt wird, funktioniert das Gerät jedoch unter einer Vielzahl von Bedingungen einwandfrei. Der Boden wird anschließend auf einem Mikrofluidik-Chip(öffnet in neuem Fenster) weiterverarbeitet, für den derzeit – wie im Projektvideo(öffnet in neuem Fenster) zu sehen ist – mehrere Prototypen hergestellt werden. Mittels Farbreaktions-Assays und einem optischen Auslesesystem auf Basis der Erkenntnisse des BEAMOLED-Projekts für die Bestimmung der Präsenz und Konzentration bestimmter Nährstoffe, übermittelt das Bodenüberwachungsgerät die Informationen daraufhin via LoRaWAN(öffnet in neuem Fenster) an die Mobiltelefone der Landwirtinnen und Landwirte. Derzeit nutzt das Projekt zur Übertragung dieser Informationen auch die drahtlose Schmalband-IoT-Technologie. Die Projektpartner gehen davon aus, dass je nach Bodenheterogenität drei bis acht Geräte pro Feld eingesetzt werden. Sobald die Geräte platziert sind, können die Landwirtschaftsbetriebe mithilfe einer integrierten Testfunktion überprüfen, ob das Gerät ordnungsgemäß funktioniert, bevor der Graben, in dem das jeweilige Gerät installiert wird, wieder aufgefüllt wird. Während seines 12-monatigen autonomen Betriebs sammelt das Bodenüberwachungsgerät verbrauchte Proben und Reagenzien in einer Einwegkartusche.
Ein Spinoff-Unternehmen für die Bodenüberwachung
Aufgrund eines EIC-Transition-Stipendiums(öffnet in neuem Fenster) war die Markteinführung von Anfang an Teil des SOILMONITOR-Plans. Das Spinoff-Unternehmen wird das Bodenüberwachungssystem zunächst für hochwertige Kulturpflanzen wie Gemüse und den Saatgutanbau vermarkten; mit Blick auf die Zukunft soll es jedoch auf weitere Anwendungsbereiche ausgeweitet werden. Projektkoordinatorin Martina Gerken geht auf lange Sicht von einem Preis von unter 500 Euro pro Gerät aus. Doch schon bevor der Preis dieses erschwingliche Niveau erreicht, ist das Bodenüberwachungssystem eine gute Investition. „Die Investition kann sich für Landwirtschaftsbetriebe sehr schnell amortisieren“, erklärt Gerken. „Bei hochwertigen Kulturpflanzen wie Tomaten oder Erdbeeren kann bereits eine vorsichtige Schätzung mit einem um 5 % besseren kommerzialisierbaren Ertrag durch optimiertes Nährstoffmanagement die Kosten für die Sensoren innerhalb einer einzigen Vegetationsperiode wettmachen.“ Das Bodenüberwachungssystem ist so konzipiert, dass es ein Jahr lang wartungsfrei funktioniert, das Gerät selbst ist jedoch für eine längerfristige Nutzung ausgelegt. „Wir verfolgen einen ‚Rasierklingen-und-Rasierer‘-Ansatz“, teilt Gerken mit. „Die Landwirtschaftsbetriebe erwerben einmalig das Sensorsystem und ersetzen dann jährlich die Einwegkartuschen mit den Mikrofluidik-Komponenten.“ SOILMONITOR hat eine marktreife Lösung für die Präzisionslandwirtschaft hervorgebracht. Dieses kleine Gerät ist einfach zu bedienen und lohnt seine Anschaffung allemal – es steigert die landwirtschaftlichen Erträge und trägt zum Umweltschutz bei.
