Die Erfindung betrifft die Behandlung lignocellulosehaltiger Naturstoffe
aus Aufbereitungsprozessen durch Beeinflussung des mikrobiellen Stoffumsatzes in
Gegenwart von Biozönosen.
Bisher gibt es keine wirksamen Behandlungsmethoden, um originäre oder
aus Aufbereitungsprozessen anfallende lignocellulosehaltige Naturstoffe so vor dem
mikrobiellen Stoffumsatz zu schützen, dass sie ein Eigenschaftsprofil aufweisen,
welches dem schwer zersetzbaren Torf vergleichbar ist. Dies bezieht sich auf das
Voiumengewicht, die Wasserhaltekapazität, die Wiederbenetzbarkeit, den pH-Wert,
den Nährstoffgehalt und das inerte Verhalten gegenüber dem Stickstoffumsatz. Letzterer
ist von besonderer Bedeutung für das Verhalten von Torfersatzstoffen in Gegenwart
pflanzlicher Kulturen.
Im unbehandelten Zustand können die Inhaltsstoffe technisch aufbereiteter
Naturstoffe das Pflanzenwachstum beeinträchtigen, was sich am Auftreten von Nekrosen
und Chlorosen, ferner an Wachstumsanomalien und -einschränkungen bei der Wurzelbildung
sowie bei der Spross- und Blattentwicklung zu erkennen gibt.
Lignocellulose wird von den Mikrofloren diverser Biozönosen in den
Stoffumsatz einbezogen. Sie wird mineralisiert oder mit Bruchstücken sowie Stoffwechselmetaboliten
in die Huminstoffbildung involviert. Da die Lignocellulose ein sehr weites C : N
- Verhältnis aufweist, entzieht die am Umsatz beteiligte mikrobielle Biomasse den
benötigten Stickstoff externen Quellen, da die stickstoffhaltigen Inhaltsstoffe
der Lignocellulose bei weitem nicht ausreichen. Ähnliches gilt auch für den Kernnährstoff
Phosphor.
Bei Anwendung derartiger lignocellulosehaltiger Stoffe in pflanzlichen
Kulturen kommt es dementsprechend zu einem Entzug aus dem zugesetzten, pflanzenverfügbaren
mineralischen Nährstoffpool, was Rückwirkungen auf die pflanzliche Entwicklung hat.
Es treten Wachstumsdepressionen wegen Nährstoffmangels auf.
Um lignocellulosehaltige Naturstoffe aus Aufbereitungsprozessen als
Torfersatz tauglich zu machen, müssen die Wirkungen von Hemmstoffen ausgeschaltet
und die N-Festlegung, auch N-Immobilisierung genannt, gemindert oder beseitigt werden.
Bei geschredderter Schälrinde wurde dieses Ziel in einem bekannten Verfahren erreicht,
indem sie unter Zusatz von Harnstoff einem Fermentationsprozess unterworfen wird,
der zu einem N-stabilisierten Rindenhumus führt. Der Stoffumsatz stützt sich dabei
wahrscheinlich auf leicht verwertbare Rindeninhaltsstoffe, z. B. Harze, Assimilate
und Mineralsalze.
Leicht verwertbare niedermolekulare Inhaltsstoffe sind bei Holzfaserstoffen
aus aufbereiteten Hotzhackschnitzeln zwar ebenfalls, jedoch in weitaus geringerer
Menge als in Schätrinde vorhanden. Deshalb waren die Ergebnisse aller bisherigen
Bemühungen, eine ähnlich nachhaltige Inertisierung der hochmolekularen Molekülverbände
zu erreichen, unbefriedigend.
Bekannte Verfahren zur Herstellung von Torfersatzstoffen auf Basis
von Holzfasern nutzen eine kompensative N-Zugabe beim Herstellungsprozess oder bei
der späteren Verwendung, um den Stickstoffhaushalt zu kontrollieren. Eine dauerhafte
chemische Einbindung des Stickstoffs in den Lignocellulosekomplex wird dadurch jedoch
nicht erreicht. Dieser gravierende Mangel provoziert schwer einschätzbare Risiken
bei der Verwendung von Holzfaserstoffen im Pflanzenbau, wo die sehr unterschiedlichen
Nährstoffversorgungen bei der Kultivierung verschiedener Pflanzenarten beachtet
werden müssen. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, diese Nachteile zu überwinden.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist deshalb eine biochemische
Einflussnahme auf den Stoffumsatz an der Lignocellulose und auf deren N-Bindungsverhalten
in Gegenwart einer mikrobiellen Biozönose.
Aufbereitete hochmolekulare lignocellulosehaltige Naturstoffe enthalten
geringe Mengen an Hexosen und Pentosen, sowie stickstoffhaltige aliphatische und
aromatische Verbindungen. Außerdem finden sich immer auch Aromaten. In monomerer,
dimerer oder polymerer Konfiguration repräsentieren sie ein Reaktionspotential,
das chemisch oder biologisch aktiviert, eine Vielzahl sehr unterschiedlicher Wirkungen
entfaltet. So kann das Wachstum vieler Bakterienarten wegen der Toxizität dieser
Stoffe gehemmt werden. Es gibt jedoch auch Bakterienarten, die Stoffumsetzungen
am Lignocellulosekomplex, z.B. die Abspaltung von Methoxylgruppen, bewerkstelligen
können. Dadurch wird eine chemische Aktivierung bewirkt, die zur Reaktion des Lignocellulosekomplexes
mit Phenolen und Proteinen führt.
Neben der häufig nur als marginal einzustufenden Stoffumsetzung der
bakteriellen Mischflora an den hochmolekularen Strukturen der Lignocellulose wird
diese in stärkerem Maße von niederen und höheren Pilzen, die über cellulolytische
und lignolytische Enzymsysteme, u. a. Ligninasen, verfügen, abgebaut.
Metaboliten aus dem Abbau des Lignocelluse - Komplexes werden u.a.
in die Huminstoffbildung eingebunden. Die Huminstoffbildung ist Bestandteil der
Humifizierung, die als Langzeitereignis der Torfbildung aus lignocellulosehaltigen
Naturstoffen zugrunde liegt. Der zwar biologisch induzierte, jedoch überwiegend
enzymatisch katalysierte, ungerichtete Prozess der Huminstoffbildung erschwert einen
eventuellen späteren mikrobiellen Stoffumsatz, da Huminstoffe durch Wechselwirkungen
mit der originären organischen Substanz eine penetrierende Matrix aus enzymatisch
schwer zugänglicher organischer Substanz bilden.
Stickstoff fördert den mikrobiellen Umsatz der niedermolekularen organischen Verbindungen
in aufbereiteten hochmolekularen lignocellulosehaltigen Naturstoffen, seine Anwesenheit
ist jedoch keine Voraussetzung für die Huminstoffbildung. Polymerisations- und Kondensationsreaktionen
können sowohl unter N-Mangel als auch unter N-Überschuss verlaufen. Daraus resultieren
entweder stickstoffarme oder stickstoffreiche Huminstoffsysteme.
Wichtige Komponenten der cellulytischen und lignolytischen Enzymsysteme
sind die Oxidasen, zu denen die Peroxidasen und Phenoloxidasen in großer Vielfalt
gehören. Sie kommen in pflanzlichen Geweben vor, werden aber auch von den holzabbauenden
Basidiomyceten gebildet. Sie sind zellgebunden oder werden in das Substrat ausgeschieden.
Sie vermögen u.a. phenolische Aromaten, aber auch Bruchstücke des dreidimensional
vernetzten Lignins durch Kondensations- und Polymerisationsreaktionen in Huminstoffsysteme
zu überführen. Gegenüber aromatischen Reaktionspartnem verhalten sich die Enzyme
so unspezifisch, dass auch chemisch synthetisierte Aromaten (z.B. Xenobiotika) in
den Stoffumsatz integriert werden. Die Wirkung der Oxidasen, die u.a. zur Radikalbildung
führt, löst eine Vielzahl von biochemischen und chemischen Folgereaktionen aus,
die im Sinne der Erfindung zu einer Inertisierung aufbereiteter lignocellulosehaltiger
Naturstoffe führt.
Die Erfindung geht von der überraschenden Erkenntnis aus, dass die niedermolekularen
Substanzen den mikrobiellen Stoffumsatz schon in frühen Rottestadien unterhalten,
ohne dass die hochmolekularen Fraktionen nennenswert einbezogen werden. Der mikrobielle
Stoffumsatz führt zum Temperaturanstieg auf über 50°C. Die lignocelluloseabbauende
Pilzflora wird erst zu einem späteren Zeitpunkt bei Temperaturen < 50°C aktiv,
so dass die natürliche Bildung und die Wirkungsentfaltung besagter Enzymsysteme
dementsprechend später einsetzt. Diese zeitliche Abfolge steht bei naturbefassenem,
strukturell intaktem Material im Einklang mit dem natürlichen Verlauf der Rotte.
Alle lignocellulosehaltigen Materialien dagegen, die eine wie auch immer geartete
technische Aufbereitung erfahren haben und damit in dem Bereich der Erfindung fallen,
vergrößern das Substratangebot an den primären mikrobiellen Stoffumsatz, was,
wenn der Rahmen der vorliegenden Erfindung verlassen wird, zu den beschriebenen
Problemen bei der Verwendung als Torfersatz führt.
Vor allem Holzfaserstoffe, die aus einem Aufbereitungsprozess der
mechanischen Zerstörung der natürlichen Faserstruktur gewonnen wurden, bieten wegen
des verbesserten Nährstoffangebotes einem gewissen, durch die Eigenschaften des
Substrates selektiertem Spektrum von Mikroorganismenarten Gelegenheit zu ungestörten
Stoffwechselaktivitäten. Sie können erfindungsgemäß dazu benutzt werden, mit
Hilfe von zugesetztem organisch gebundenen Stickstoff der verschiedensten Herkunft
eine abiotisch - chemische und/oder eine biochemisch unterlegte Inertisierung zu
betreiben.
In Temperaturbereichen > 60°C werden in Gegenwart organisch gebundenen
Stickstoffs abiogenen oder biogenen Ursprungs, z.B. Polyurethan, Proteine, Aminosäuren,
Chitin, Karamelisierungsreaktionen initiiert, die eine Denaturierung der biogenen
Konfiguration an der Lignocellulose bewirken. Diese Denaturierung erschwert den
mikrobiellen Abbau karamelisierter Lignocellulose. Mit der Karamelisierung ist eine
Braunverfärbung des Materials verbunden. Der Prozess kann außer durch den
Zusatz von N-Verbindungen auch durch die Zugabe von Zuckern und mineralischem Stickstoff,
z.B. Ammoniumsulfat oder Harnstoff intensiviert werden.
Bei Temperaturen < 60°C werden mit den biochemischen Spaltungsreaktionen
an der Lignocellulose auch chemische Rückreaktionen ausgelöst, die unter den katalytischen
Einfluss der Enzyme Oxidasen geraten. Hierbei kommt es zu einer Einbindung von organischen
Stickstoffverbindungen, vorzugsweise Aminosäuren und Protein.
So wurde überraschend die Bildung von Ligno-Protein-Komplexen mit
N-Gehalten im Lignin bis zu 4 % in der Trockensubstanz gefunden. Hierbei bleiben
die überwiegend enzymatisch gerichteten Strukturen des originären Lignins erhalten
und sind dem Stoffumsatz durch Pilzfloren zugänglich.
Die Wirkung des Stickstoffeinbaus, der durch die Anwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens erreicht wird, überraschte. Die bei nicht erfindungsgemäß hergestellten
lignocellulosehaltigen Torfersatzstoffen übliche N-Immobilisierung in der Größenordnung
von 500 mg N/l konnte bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf Größenordnungen
< 100 mg N/l reduziert werden. Damit ist eine hocherwünschte Qualitätsverbesserung
für die Verwendung aufbereiteter lignocellulosehaltiger Naturstoffe erreichbar.
Der bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens stattfindende
stimulierte Stickstoffeinbau in die Lignocellulose wird durch die Behandlung mit
Enzymlösungen, die Oxidasen enthalten, bei Temperaturen < 60°C so weit gefördert,
dass die bei Anwendung nichterfindungsgemäßer Verfahren häufig beobachtete
Neigung der Schimmelbildung überraschend unterdrückt werden konnte. Auch traten
keine Chlorosen und Nekrosen in Pflanzenanbauversuchen mit dem erfindungsgemäß
hergestellten Torfersatzstoff auf.
Der Stickstoffeinbau in die Lignocellulose ist an das Vorhandensein
einer geeigneten Biozönose geknüpft. Als besonders günstig erweist sich der Zusatz
von ausgereiftem, biologisch stabilem Rindenhumus, zum aufbereiteten lignocellulosehaltigem
Naturstoff.
Der erfindungsgemäß in Gegenwart von stickstoffhaltigen Verbindungen,
vorzugsweise Proteinen, ausgeführte Prozess führt zu einer torfähnlichen, tiefbraunen
Verfärbung des aufbereiteten lignocellulosehaltigen Naturstoffs.
Die stabile chemische Bindung des Stickstoffs an die Lignocellulose,
d.h. im Ligno-Protein-Komplex, gewährleistet, dass sich ein späterer mikrobieller
Stoffumsatz auf ein ausgewogenes Kohlenstoff- und Stickstoffangebot stützen kann.
Der Abbau der Torfersatzstoffe in Pflanzenkultursubstraten verläuft wie der von
Torf deutlich langsamer als im Fall der originären organischen Substanz.
Die Tätigkeit der Enzyme Oxidasen ist an die Anwesenheit von Sauerstoff
gebunden. Die Zufuhr des Sauerstoffs kann auf an sich bekannte Weise durch Einspeisung
von Frischluft mit und ohne Zusatz von reinem Sauerstoff erfolgen.
Die mikrobielle Tätigkeit ist an eine ausreichende Feuchtigkeit gebunden.
Der optimale Wassergehalt liegt im Bereich 50 bis 60 %.
Die Stickstoffbindung an die Lignocellulose kann durch allgegenwärtige
oder bei Mangel durch gezielt hinzugefügte Cofaktoren der Enzymsysteme wie Mangan-
und Kupfersalze, aber auch Eisen- und Manganoxide, zum Zwecke der abiotischen Phenolbindung
unterstützt werden.
Beispiele für die Konditionierung:
- 1.
- 1 m3 Holzfaserstoffe;
- 5 Vol.% Rindenhumus;
- 40.000 Einheiten eines phenolasehaltigen Enzymisolats;
- 10 kg Weizenkleie oder vergleichbare leicht verwertbare
- Kohlenstoffquellen;
- 0,50 kg Mineral - N;
- 0, 15 kg Mineral - P.
- 2.
- 1 m3 Holzfaserstoffe;
- 5 Vol.% Rindenhumus;
- 40.000 Einheiten eines phenolasehaltigen Enzymisolats;
- 5 Gew.% FM proteinhaltiges Kieselgur;
- 5 kg Weizenkleie oder vergleichbare leicht verwertbare
- Kohlenstoffquellen;
- 0.30 kg Mineral - N;
- 0.15 kg Mineral - P.
