4 Material und Umwelt
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Previous research shows that analytical methods based on Diffusive Gradients in Thin films (DGT) provide very good correlations to the amount of bioavailable nutrients and pollutants in the environmental samples. However, these DGT results do not identify which compound of the specific element has the high bioavailability. Using various spectroscopic techniques (infrared, XANES and NMR spectroscopy) to analyze the dried DGT binding layers after deployment could allow us to determine the specific elements or compounds. Nutrients such as phosphorus and nitrogen are often, together with other elements, present as molecules in the environment. These ions are detectable and distinguishable by infrared and NMR spectroscopy, respectively. In addition, XANES spectroscopy allows for the specification of nutrients and pollutants (e.g. chromium) on the DGT binding layer. Furthermore, microspectroscopic techniques make it also possible to analyze compounds on the DGT binding layer with a lateral resolution down to 5 µm2. Therefore, species of elements and compounds of e.g. a spatial soil segment can be mapped and analyzed, providing valuable insight to understand the dynamics of nutrients and pollutants in the environment. Here we will present the advantages and limitations of this novel combination of techniques.
Weltweit werden etwa 80–85 % aller abgebauten Rohphosphate für die Produktion von Düngemitteln verwendet. Bei noch steigendem Bedarf an Phosphor (P) geht man derzeit davon aus, dass die weltweiten P-Reserven noch über 200 Jahre ausreichen. Um den P-Vorrat langfristig abzusichern, sollte der in Reststoffen enthaltene Phosphor möglichst umfänglich genutzt werden. Dieser Forderung trägt das von der Bundesregierung 2012 erstmals beschlossene Deutsche Ressourceneffizienzprogramm ProgRess Rechnung. Rohphosphat wird auch seitens der Europäischen Kommission aufgrundseiner ökonomischen Bedeutung und des unsicheren Angebots als „kritischer Rohstoff“ eingestuft. Vor diesem Hintergrund hat die Bundesregierung in der Verordnung zur Neuordnung der Klärschlammverwertung vom 27. September 2017 in Deutschland eine verpflichtende technische Rückgewinnung von Phosphor für Abwasserbehandlungsanlagen ab einer Ausbaugröße von 100.000 Einwohnerwerten (12 Jahre nach Inkrafttreten der Verordnung) bzw. ab einer Ausbaugröße von über 50.000 Einwohnerwerten (15 Jahre nach Inkrafttreten der Verordnung) vorgeschrieben. Die Verordnung enthält keine Vorgaben hinsichtlich der anzuwendenden Technologie bei der Phosphorrückgewinnung. Ausgenommen von der Rückgewinnungspflicht sind Klärschlämme mit niedrigen Phosphorgehalten (weniger als 20 Gramm Phosphor je Kilogramm Klärschlamm-Trockenmasse). Auch die im Jahre 2017 verabschiedeten neuen Rechtsvorschriften für die Düngung verlangen zukünftig einen nachhaltigen und ressourceneffizienten Umgang mit Nährstoffen bei der landwirtschaftlichen Erzeugung und schränken die P-Zufuhr insbesondere auf hoch versorgten Böden ein (Düngeverordnung vom 26. Mai 2017). Dies wird zu einem mehr am Pflanzenbedarf orientierten und ggf. vermehrt überbetrieblichen Einsatz von wirtschaftseigenen Düngern führen. Um den politischen und gesetzlichen Anforderungen gerecht zu werden, müssen einerseits wirksame und kosteneffiziente technische Verfahren zum P-Recycling (weiter)entwickelt werden. Andererseits müssen die Recyclingprodukte die Anforderungen für eine direkte Verwendung in der Landwirtschaft oder als Rohstoff für die Herstellung von Düngemitteln erfüllen. In dem vorliegenden Standpunkt wird zunächst der potenzielle Beitrag von Reststoffen zur Deckung des P-Bedarfs in der deutschen Pflanzenproduktion geschätzt. Für die wichtigsten Reststoffe werden technische Verfahren zur P-Rückgewinnung bzw. Aufarbeitung skizziert. Auf Basis der Anforderungen der Landwirtschaft bzw. der Düngemittelindustrie
an die P-Recyclingprodukte werden deren Herstellungsverfahren bewertet. Schließlich wird der Regelungs- und Forschungsbedarf formuliert.
Phosphorus (P) plays an essential role in the global food security. However, the global P reservoirs have a statistic lifetime of about 385 years only. Due to the scarcity of P and the increasing world population an efficient and sustainable recycling management is required. A few biogenic waste materials are high in P contents such as sewage sludge and meat and bone meal. Thus, they are suitable for P recycling and fertilizer production. But besides the high P content sewage sludge is often highly contaminated with organic pollutants and toxic heavy metals which have to be eliminated before agricultural field application. In this presentation we show the potential of sewage sludge as secondary resource for fertilizers. This includes our developments in thermochemical processes for the production of novel P-fertilizers from recycled materials. Furthermore, for these novel P-fertilizers common extraction tests to determine the plant-available P are often unusable. Therefore, we successfully applied the Diffusive gradients in thin-films (DGT) techniques to analyse the plant-availability of P-fertilizers from recycled materials.
Die agronomische Effizienz von Düngemitteln wird üblicherweise im Vegetationsversuch geprüft. Vegetationsversuche erlauben die Betrachtung unterschiedlicher Kulturpflanzen und deren Strategien der Nährstoffmobilisierung und -Aneignung ebenso wie die Berücksichtigung verschiedener Substrattypen und deren Eigenschaften hinsichtlich Nährstofffixierung und -freisetzung. Solche Versuche, selbst wenn sie nicht im Feld, sondern nur im Gefäß durchgeführt werden, sind jedoch sowohl zeit- als auch kostenintensiv. In erster Näherung wird die Pflanzenverfügbarkeit insbesondere von Phosphor (P)-Düngemitteln daher herkömmlicherweise mit Hilfe standardisierter chemischer Extraktionsmethoden abgeschätzt, deren Durchführung in der deutschen ebenso wie in der europäischen Düngemittelverordnung normiert ist. Diese Methoden werden auch im Rahmen der staatlichen Düngemittelverkehrskontrolle genutzt, um die Einhaltung düngemittelrechtlicher Vorgaben zu überprüfen. Wie jüngere Arbeiten gezeigt haben, ist jedoch die Übertragung herkömmlicher Standardextraktionsmethoden auf neue Dünger aus Recyclingmaterialien wie Klärschlamm mit einigen Schwierigkeiten verbunden. Korrelationen zwischen P-Aufnahme im Vegetationsversuch und chemischer Löslichkeit im Standardextrakt sind oft nur mäßig bis schwach oder überhaupt nicht signifikant. Die vorliegende Literaturübersicht gibt einen Überblick zum aktuellen Stand des Wissens über die chemische Löslichkeit von klärschlammbasierten P-Recyclingdüngern, deren Effizienz im Vegetationsversuch und statistische Relationen zwischen beiden Parametern. Anschließend werden alternative Methoden
zur Abschätzung der P-Verfügbarkeit von Recyclingdüngern vorgestellt, die derzeit Gegenstand der wissenschaftlichen Diskussion sind.
Per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) are chemicals which were developed to improve humanity’s quality of life. Due to their high chemical stability and resistance to degradation by heat or acids, PFAS were used in a variety of consumer products. The continuous use of PFAS in household products and the discharge of PFAS from industrial plants into the sewer system resulted in the contamination of effluents and sewage sludge from wastewater treatment plants (WWTPs) (Roesch et al. 2022). Since sewage sludge is often used as fertilizer, its application on agricultural soils has been observed as a significant entry path for PFAS into the environment, specifically in our food chain. In Germany the sewage sludge/biosolid application on agricultural land was banned with the amendment of the German Sewage Sludge Ordinance and by 2029 sewage sludge application will be totally prohibited. However, phosphorus (P) from sewage sludge should still be recycled in WWTPs of cities with a population larger than 50,000 residents. To produce high-quality P-fertilizers for a circular economy, PFAS and other pollutants (e.g. pesticides and pharmaceuticals) must be separated from sewage sludge. Due to the strong diversity of industrial PFAS usage it is not clear if a safe application of novel recycled P-fertilizers from WWTPs can be guaranteed. Therefore, we analyzed various sewage sludges and wastewater-based fertilizers. Sewage sludge (SL) samples from various WWTPs in Germany and Switzerland, six sewage sludge ashes (SSA) from Germany, six thermally treated SL and SSA samples with different additives (temperatures: 700-1050 °C), two pyrolyzed SL samples (temperature: 400 °C) and two struvite samples from Germany and Canada were analyzed. The goal was to quantify PFAS in sewage sludges and wastewater-based P-fertilizers with the sum parameter extractable organic fluorine (EOF) by combustion ion chromatography (CIC). The results were compared with data from classical LC-MS/MS target analysis as well as selected samples by HR-MS suspect screening. The EOF values of the SLs mainly range between 154 and 538 µg/kg except for one SL which showed an elevated EOF value of 7209 µg/kg due to high organofluorine contamination. For the SSA samples the EOF values were lower and values between LOQ (approx. 60 µg/kg) and 121 µg/kg could be detected. For the pyrolyzed SLs no EOF values above the LOQ were detected. Moreover, the two wastewater-based struvite fertilizers contain 96 and 112 µg/kg EOF, respectively. In contrast to the EOF values, the sum of PFAS target values were relatively low for all SLs. Additional applied PFAS HR-MS suspect screening aimed to tentatively identify PFAS that could contribute to the hitherto unknown part of the EOF value. The majority of the detected fluorinated compounds are legacy PFAS such as short- and long-chain perfluorocarboxylic acids (PFCA), perfluorosulfonic acids (PFSA), polyfluoroalkyl phosphate esters (PAPs) and perfluorophosphonic acids (PFPA). Moreover, fluorinated pesticides, pharmaceutical as well as aromatic compounds were also identified, which are all included in the EOF parameter. Our research revealed that the current PFAS limit of 100 µg/kg for the sum of PFOS + PFOA in the German Fertilizer Ordinance is no longer up to date. Since the number of known PFAS already exceeds 10,000, the ordinance limit should be updated accordingly. Recent regulations and restrictions on using long-chain PFAS (≥C8) have resulted in a significant shift in the industry towards (ultra-)short-chain alternatives, and other, partly unknown, emerging PFAS. Ultimately, also fluorinated pesticides and pharmaceuticals, which end up as ultrashort PFAS in the WWTPs, have to be considered as possible pollutants in fertilizers from wastewater, too.
Dust deposition is an important source of phosphorus (P) to many ecosystems. However, there is little evidence of dust-derived P-containing minerals in soils. Here we studied P forms along a well-described climatic gradient on Hawaii, which is also a dust deposition gradient. Soil mineralogy and soil P forms from six sites along the climatic gradient were analyzed with bulk (X-ray diffraction and P K-edge X-ray absorption near edge structure)
and microscale (X-ray fluorescence, P K-edge X-ray absorption near edge structure, and Raman) analysis methods. In the wettest soils, apatite grains ranging from 5 to 30 μm in size were co-located at the micro-scale with quartz, a known continental dust indicator suggesting recent atmospheric deposition. In addition to colocation with quartz, further evidence of dust-derived P included backward trajectory modeling indicating that dust particles could be brought to Hawaii from the major global dust-loading areas in central Asia and northern Africa. Although it is not certain whether the individual observed apatite grains were derived from long-distance transport of dust, or from local dust sources such as volcanic ash or windblown fertilizer, these observations offer direct evidence that P-containing minerals have reached surface layers of highly-weathered grassland soils
through atmospheric deposition.
Phosphorus (P) resource availability is declining and the efficiency of applied nutrients in agricultural soils is becoming increasingly important. This is especially true for P-fertilizers from recycled materials which often have a lower plant-availability compared to commercial P-fertilizers but are expected to play an increasingly important role into the future (Kratz et al. 2019). One promising way to increase the plant-availability of the fertilizer P is a co-fertilization with specific nitrogen (N) forms which can enhance the P uptake and make P-fertilizers from recycled material more competitive to commercial phosphate rock-based P-fertilizers (Rahmatullah et al. 2006; Vogel et al. 2018). To investigate this effect, we performed a pot experiment with three different P-fertilizers (sewage sludge-based, phosphate rock and triple superphosphate) and ammonium nitrate sulfate as a co-fertilizer, without and with a nitrification inhibitor (NI), and analyzed the form of N and P in soil via a suite of chemical and novel X-ray spectroscopic methods. The application of NI with the P and N fertilizers led to a higher dry matter yield and a higher P uptake of maize. Novel N K-edge micro-X-ray absorption near-edge structure (micro-XANES) spectroscopy identified that the application of a NI promotes the temporary formation of a non-exchangeable N in detectable hot-spots in the soil. The subsequent slow release and prolonged availability of N during plant growth leads to higher yield and nutrient uptake. It can be concluded that NIs lead to a temporary fixation of ammonium-N in a pool that can be accessed by plant roots. Those types of available nutrient pools meet the idea of so-called “next generation fertilizers” as plants have access to nutrients according to their current demand.
Specific co-fertilization of nutrients can enhance their plant-availability and thus the yield of plants. To investigate this effect, we performed a pot experiment with three different P-fertilizers and ammonium nitrate sulfate as a co-fertilizer, without and with a nitrification inhibitor (NI), and analyzed the form of nitrogen (N) in the soil via novel X-ray spectroscopic method. The application of NI with the N fertilizer led to a higher dry matter yield of maize. Novel N K-edge micro-X-ray absorption near-edge structure (micro-XANES) spectroscopy identified that the application of a NI promotes the temporary formation of a non-exchangeable N in detectable hot-spots in the soil. The subsequent slow release and prolonged availability of N during plant growth leads to higher yield. It can be concluded that NIs lead to a temporary fixation of ammonium-N in a pool that can be accessed by plant roots. Those types of available nutrient pools meet the idea of so-called “next generation fertilizers” as plants have access to nutrients according to their current demand.
Die agronomische Effizienz von Düngemitteln wird üblicherweise in Vegetationsversuchen geprüft. Diese erlauben die es, unterschiedliche Kulturpflanzen und deren Strategien der Nährstoffmobilisierung und -aneignung zu betrachten und verschiedene Substrattypen und deren Eigenschaften im Hinblick auf Nährstofffixierung und -freisetzung zu berücksichtigen. Solche Versuche, selbst wenn sie nicht im Feld, sondern nur im Gefäß durchgeführt werden, sind jedoch sowohl zeit- als auch kostenintensiv. In erster Näherung wird die Pflanzenverfügbarkeit insbesondere von Phosphor (P)-Düngemitteln daher in der Regel mit Hilfe standardisierter chemischer Extraktionsmethoden abgeschätzt, deren Durchführung in der deutschen ebenso wie in der europäischen Düngemittelverordnung normiert ist. Diese Methoden werden auch bei der staatlichen Düngemittelverkehrskontrolle genutzt, um zu überprüfen, ob die düngemittelrechtlichen Vorgaben eingehalten werden. Wie jüngere Arbeiten gezeigt haben, ist es jedoch schwierig, herkömmliche Standardextraktionsmethoden auf neue Dünger aus Recyclingmaterialien wie Klärschlamm zu übertragen. Korrelationen zwischen P-Aufnahme im Vegetationsversuch und chemischer Löslichkeit im Standardextrakt sind oft nur mäßig bis schwach oder überhaupt nicht signifikant. Die vorliegende Literaturübersicht gibt einen Überblick zum aktuellen Stand des Wissens über die chemische Löslichkeit von klärschlammbasierten P-Recyclingdüngern, deren Effizienz im Vegetationsversuch und statistische Relationen zwischen beiden Parametern. Anschließend werden alternative Methoden zur Abschätzung der P-Verfügbarkeit von Recyclingdüngern vorgestellt, die derzeit Gegenstand der wissenschaftlichen Diskussion sind.
Phosphorus (P) fertilizers from secondary resources became increasingly important in the last years. However, these novel P-fertilizer can also contain toxic pollutants e.g. chromium (Cr) in the hexavalent state (Cr(VI)), which is regulated with low limit values in agricultural products (German fertilizer ordinance limit: 2 mg/kg Cr(VI)). The determination of Cr(VI) in these novel fertilizer matrices can be hampered by redox processes that lead to false results with the standard wet chemical extraction method (German norm DIN EN 15192). Therefore, we analyzed Cr(VI) in various P-fertilizers with the DGT technique. DGT devices equipped with a APA (polyacrylamide) diffusion layer and Cr(VI) selective N-methyl-D-glucamine (NMDG) binding layer were used for the study. After a 24 h conditioning period of the fertilizer at 60% of the water holding capacity (WHC), the fertilizers were brought to 100% WHC, transferred onto the DGT devices and deployed for 24 h at 25°C. The extraction of Cr from the DGT binding layer was carried out with 1 M HNO3 for 24 h. The Cr-concentrations of the extract were determined by means of ICP-MS. We found a good correlation between the standard wet chemical extraction and the DGT method for the whole range of P-fertilizers. However, partly soluble Cr(VI) compounds cannot be detected in full extent by the DGT method that is best suited for mobile Cr(VI). Furthermore, Cr K-edge XANES spectroscopy showed that the Cr(VI)-selective DGT binding layer also adsorbs mobile Cr(III) compounds from acid treatment of phosphates which can therefore cause an overestimation of Cr(VI). The DGT method was very sensitive and in most cases selective for the analysis of Cr(VI) in P-fertilizers made from recycled materials. However, the results of certain types of P-fertilizers containing mobile Cr(III) or partly immobile Cr(VI) show that still some optimization of the method is required to avoid over- or underestimation of Cr(VI).