Im Gegensatz dazu basiert Permakultur auf der Nachahmung natürlicher Ökosysteme und setzt auf nachhaltige, widerstandsfähige Systeme. Hierbei werden verschiedene Pflanzenarten in Mischkultur oder in Fruchtfolge angebaut, was die Bodenfruchtbarkeit erhöht, die Artenvielfalt fördert und den Einsatz von Chemikalien reduziert. Permakultur schont Ressourcen, fördert die Biodiversität und reduziert Bodenerosion. Diese Methode integriert Mensch und Natur, um langfristig produktive und umweltschonende Systeme zu schaffen.

Während Monokultur wenig nachhaltig ist und Umweltprobleme verursacht, strebt eine nachhaltige Permakultur an, im Einklang mit der Natur zu arbeiten und sowohl die Umwelt als auch die Menschen zu unterstützen.

Spurenelemente wie Zink, Mangan und Molybdän sind zwar nur in kleinen Mengen erforderlich, aber dennoch unverzichtbar für Funktionen wie Enzymaktivierung und Krankheitsresistenz. Ein Nährstoffmangel kann zu Wachstumsproblemen und Ertragsverlusten führen, weshalb eine angepasste Düngung notwendig ist. Dabei sollte auf den Nährstoffbedarf der Pflanze und die Bodeneigenschaften geachtet werden, um Überdüngung zu vermeiden.

In dieser Arbeit wurden 10 Bodenproben von einem 20 m² großen Feld entnommen, wobei das Verfahren an die verfügbaren Materialien angepasst wurde. Die Proben wurden mit einer metallischen Stange entnommen, um Kontaminationen zu vermeiden, und anschließend homogenisiert, bevor sie weiterverarbeitet wurden.

Jedes Element sendet dabei eine ganz bestimmte Lichtfarbe aus, ähnlich wie ein Fingerabdruck. Ein Gerät misst dieses Licht und kann so feststellen, welche Stoffe und vor allem in welcher Menge diese in der Probe vorhanden sind. Diese Methode ist sehr genau und kann viele Stoffe gleichzeitig erkennen, was sie besonders nützlich für wissenschaftliche Untersuchungen macht.

Die Kalibrierung sorgt auch für die Genauigkeit der Ergebnisse, kompensiert mögliche Matrixeffekte, die die Emissionseigenschaften der Elemente beeinflussen können, und gewährleistet die Rückverfolgbarkeit der Ergebnisse zu nationalen oder internationalen Standards. In der ICP-OES kommen verschiedene Kalibrierungsmethoden zum Einsatz, darunter die Einkanal-Kalibrierung, die individuelle Kalibrierkurven für jedes Element erstellt, sowie die Mehrkanal-Kalibrierung, die mehrere Standards mit unterschiedlichen Konzentrationen verwendet, um genauere Antwortkurven zu erzeugen.

Die Kalibrierung erfolgt mit Standards, die den erwarteten Konzentrationsbereich abdecken. Um die Genauigkeit der Methode zu überprüfen, wird eine Kalibrierkurve erstellt. Es gibt zwei wichtige Begriffe: Die Nachweisgrenze (NG) ist die kleinste Konzentration, die sicher erkannt werden kann, während die Bestimmungsgrenze (BG) die kleinste Konzentration ist, die genau gemessen werden kann.

Ein wichtiges Maß für die Genauigkeit ist die Standardabweichung (SD), die zeigt, wie sehr die Messwerte um den Durchschnitt schwanken. Eine niedrige SD bedeutet, dass die Messungen sehr ähnlich sind und die Methode reproduzierbare Ergebnisse liefert.

Die Robustheit der Methode wird getestet, indem man untersucht, wie sich Veränderungen in den Versuchsbedingungen (z. B. Temperatur) auf die Ergebnisse auswirken. Alle Ergebnisse und Methoden sollten in einem Validierungsprotokoll dokumentiert werden, wobei auch relevante Standards und Richtlinien beachtet werden müssen. Die Validierung ist zwar herausfordernd, aber unerlässlich, um zuverlässige Analyseergebnisse zu erhalten.

Das Projekt hat Verbesserungsmöglichkeiten aufgezeigt, insbesondere in der Kalibrierung, die präziser gestaltet werden sollte, mit mehr Kalibrationspunkten im Bereich von 0,1–1 mg/L. Zudem sind weitere Verdünnungen erforderlich, um sicherzustellen, dass alle Messwerte im Kalibrationsbereich liegen. Auch die Validierung der Methode muss gründlicher durchgeführt werden.

Bei der Probenahme sollten professionellere Geräte eingesetzt und zusätzliche Umweltdaten erfasst werden, um die Schwankungen besser zu analysieren. Außerdem waren die Bedingungen suboptimal, da das Monokulturfeld nicht bewirtschaftet wird. Weshalb die Messergebnisse des Permakulturfeldes möglicherweise durch Düngerrückstände verfälscht wurden um einen genauen linearen Zusammenhang herzustellen. Für genauere Ergebnisse sollte auch ein ungedüngter Teil des Permakulturfeldes untersucht werden, um den tatsächlichen Elementgehalt im Boden zu bestimmen.

Die Ergebnisse zeigen, dass der Calciumgehalt im Permakulturboden deutlich höher ist als im Monokulturfeld. Auch bei Magnesium sind die Werte im Permakulturboden signifikant erhöht, während die Konzentration im Dünger vergleichbar hoch ist. Kalium weist ebenfalls eine beträchtliche Erhöhung im Permakulturboden auf, und am 04.05.2024 wurde im Dünger ein besonders hoher Wert gemessen.

Im Fall von Phosphor liegt die Konzentration im Permakulturboden im Durchschnitt über der des Referenzfeldes, jedoch ist der Unterschied nicht sehr ausgeprägt. Der Dünger übersteigt beide Werte erheblich, was auf eine niedrige Düngung dieses Elements hinweist.

Für Kupfer, Mangan, Zink und Molybdän konnten aufgrund von Messwerten, die nicht im Kalibrationsbereich lagen, keine verlässlichen Aussagen getroffen werden. Dies weist auf mögliche Schwächen in der analytischen Methode hin, die in zukünftigen Studien verbessert werden sollten.

Insgesamt deuten die Ergebnisse darauf hin, dass Permakultur im Vergleich zur Monokultur vorteilhaft ist, da sie die Gehalte an wichtigen Nährstoffen wie Calcium, Magnesium und Kalium signifikant erhöht. Dies könnte zu einer besseren Bodenfruchtbarkeit und damit zu einem nachhaltigeren landwirtschaftlichen Ansatz führen. Für eine höhere Verlässlichkeit der Ergebnisse sind jedoch Optimierungen bei der Kalibrierung und Probenahme in zukünftigen Untersuchungen notwendig.

Anschließend wurde eine Testerde hergestellt, die absichtlich mit dem Probennehmer kontaminiert wurde, um sie mit einer Referenzerde zu vergleichen. Die Analyse ergab, dass die Kontamination des Probennehmers im Vergleich zur Referenzerde vernachlässigbar war.

Die erste umfassende Messreihe erfolgte ebenfalls mit einer Verdünnung von 1:50. Dabei wurde festgestellt, dass die Konzentrationen vieler Elemente in mehreren Proben zu niedrig waren, was zu einer Anpassung der Verdünnung führte. In der finalen Messreihe wurde eine Verdünnung von 1:10 verwendet, um genauere Ergebnisse zu erzielen. Die relevanten Messwerte sind in den entsprechenden Excel-Blättern dokumentiert.

Zur Probenvorbereitung wurde 65%ige Salpetersäure verwendet, deren hohe Elektronegativität eine effektive Oxidation der Metalle (Ca, Mg, K, P, Cu, Zn, Mn, Mo) gewährleistete. Dabei wurden schwerlösliche Proben in Lösung umgewandelt, um die Elemente bestimmen zu können. Der Säureaufschluss kann in offenen oder geschlossenen Gefäßen durchgeführt werden; der Mikrowellenaufschluss erwies sich als besonders schnell und effizient.

Die verwendeten Geräte umfassten einen Vista-Pro CCD Simultaneous ICP-OES und ein Microwave Digestion System Multiwave Go. Bei der Analyse der Elemente wurden spezifische Wellenlängen gewählt, um Signalüberlagerungen zu vermeiden.

Für die Kalibration wurde eine Stammlösung hergestellt, aus der durch Verdünnung eine 6-Punkt-Kalibration im Bereich von 0,1 mg/L bis 5 mg/L erzeugt wurde. Die festen Proben wurden bei 100°C auf Massenkonstanz getrocknet und anschließend homogenisiert. Nach dem Aufschluss mit Salpetersäure wurden die Proben in 50 mL Falcon-Röhrchen gelagert. Die Messungen erfolgten mit einer Verdünnung von 1:50 in der ICP-OES, wobei die Geräte nach der Kalibration mit den verschiedenen Proben gespült wurden. Bei der Methodenentwicklung wurde besonders auf die Wahl der Wellenlängen und die Verdünnung der Proben geachtet, um die genaue Analyse der Metalle sicherzustellen.

Im Volksmund werden Chemikalien oft als Substanzen verstanden, die durch chemische Verfahren hergestellt werden oder künstlich sind – in Abgrenzung zu „natürlichen“ Stoffen. Sie werden häufig mit Reinigungsmitteln, synthetischen Produkten oder gefährlichen Stoffen assoziiert.

Fachlich:

In Fachkreisen wird eine Chemikalie als ein Stoff oder Stoffgemisch definiert, das eine bestimmte chemische Zusammensetzung aufweist. Dies umfasst sowohl reine Elemente als auch Verbindungen, unabhängig davon, ob sie natürlichen Ursprungs sind oder synthetisch hergestellt wurden. Die Definition schließt damit alle Stoffe ein, die durch chemische Prozesse beschrieben und charakterisiert werden können, unabhängig von ihrer Herkunft.

Die Extraktion ist ein physikalisch-chemisches Trennverfahren, bei dem bestimmte Stoffe mithilfe eines Lösungsmittels aus einem festen oder flüssigen Stoffgemisch herausgelöst werden. Das Ziel ist, die gewünschten Komponenten selektiv aus dem Ausgangsgemisch zu isolieren, basierend auf ihrer Löslichkeit in dem gewählten Lösungsmittel.

Prozess:

Bei einer Fest-Flüssig-Extraktion wird ein löslicher Stoff aus einem festen Stoffgemisch mit Hilfe eines geeigneten Lösungsmittels herausgelöst. Der feste Stoff wird mit dem Lösungsmittel in Kontakt gebracht (z.B. durch Eintauchen oder Umrühren), sodass sich der gewünschte Bestandteil löst. Danach wird die Lösung vom unlöslichen Feststoff abgetrennt (z.B. durch Filtration). Die extrahierte Substanz kann anschließend durch Entfernen des Lösungsmittels (z.B. durch Verdampfen) gewonnen werden.