Grundlagenuntersuchungen zur Wirkung neuartiger Ureaseinhibitoren in der Nutztierhaltung

Abstract

Due to the agreements held by Germany in international and national programmes to reduce climate and environmental deterioration particularly in relation to ammonia emissions from livestock housing, additional measures have to be taken in order to ensure that international and national objectives will be achieved. Within the framework of a BMBF-funded interdisciplinary research project, new types of urease inhibitors had been tested for application in animal housing. The present work shows the necessary basic studies, which formed the basis for the investigations under conditions similar stall conditions and in practice stall in the second part of the project (LEINKER, 2007). The main objective of the present work was to investigate the effect of different urease inhibitors on urea hydrolysis, and thus to quantify the ammonia release of urea applied on cattle slurry under standardized, reproducible and controlled laboratory conditions and to investigate possible influencing factors (Pre-screening). Subsequent objectives result in the following: development of an appropriate measuring system and implementation of a standardized test, study of various urease inhibitors at different substrate temperatures and inhibitor concentrations, selection of the urease inhibitor which has the best reduction effect, and quantification of other factors influencing the effect of the selected urease inhibitor. In order to assess the inhibitor effect, the protonated ammonium and the available ammonia in slurry should be detected by means of conducting slurry analysis. In addition, the first indications of a long-term effect of the selected urease inhibitor, its impact on biogas accumulation, and its effect on liquid swine manure should be derived. In order to carry out the investigations, a water-tank measuring system had been configured and validated. The 28 measuring tanks of the measurement system, where each tank was filled by 2 l of slurry, worked according to the principle of dynamic chamber and were kept at constant temperature using a water bath. A gas analysis based on NDIR spectroscopy had been used in order to sustain continuous measurement of ammonia concentrations in the measuring device. The standardized test, applied in the main experiments, had been developed in the preliminary experiments. Among the five pre screened urease inhibitors (four new active agents + reference NBTPT active ingredient), the urease inhibitor D is selected for further investigations in the project, as this is the best inhibitor having significant reduction effect, which was in general dependent on the substrate temperature and the inhibitor concentration in terms of ammonia release. For an effective reduction of ammonia release, it seems useful to deploy more often smaller quantities of the inhibitor. The urease inhibitor D showed a significant reduction effect regardless of the origin and the layer thickness of the respective liquid manure. In comparison with the urease inhibitor D treated variants, more urea is significantly converted to ammonia and ammonium-nitrogen at a layer thickness of 4 mm than at a layer thickness of 90 mm. Apart from the ammonia release, the resulting nitrogen balance of all the tests showed no indication of further significant gaseous nitrogen losses, e.g. as nitrous oxide. In the experiments, no significant influence of urease inhibitor D had been detected on the (urea independent) basic release of ammonia from the respective liquid manure resulting from the degradation of organic substances. In practice, this means that the use of urease inhibitors is only reasonable in the presence of urea. The preliminary related investigations showed that the duration effect of the urease inhibitor D is dependent on temperature; no adverse effects caused by the inhibitor D of treated slurry on the biogas accumulation. Similar relations, as in cattle slurry, had been recognized and showed for the urease inhibitor D in pig slurry. As part of the investigations, a urease inhibitor is selected for cattle and pig slurry urea hydrolysis, and thus the ammonia release is significantly reduced. The basic investigations afforded an important contribution to the expansion of knowledge in this area, and lead on the other hand to develop new techniques in order to reduce the ammonia emissions from livestock housing.

Die von Deutschland in internationalen Abkommen und nationalen Programmen getroffenen Vereinbarungen zur Verminderung klima- und umweltrelevanter Emissionen erfordern besonders im Bezug auf die Ammoniakemissionen aus der Nutztierhaltung zusätzliche Maßnahmen, um die international und national gesteckten Ziele zu erreichen. Im Rahmen eines BMBF-geförderten interdisziplinären Forschungsverbundprojektes wurden neuartige Ureaseinhibitoren für den Einsatz in der Tierhaltung erprobt. Die vorliegende Arbeit zeigt die dazu notwendigen Grundlagenuntersuchungen auf, welche die Basis bildeten für die Untersuchungen unter stallähnlichen Bedingungen und im Praxisstall im zweiten Teil des Projektes (LEINKER, 2007). Hauptziel der vorliegenden Arbeit war es, die Wirkung verschiedener Ureaseinhibitoren auf die Harnstoffhydrolyse und somit auf die Ammoniakfreisetzung in Rinderflüssigmist unter standardisierten, reproduzierbaren und kontrollierten Laborbedingungen zu quantifizieren und mögliche Einflussfaktoren zu untersuchen (Prescreening). Daraus ergaben sich folgende Teilziele: Entwicklung eines geeigneten Messsystems und einer standardisierten Versuchsdurchführung, Untersuchung verschiedener Ureaseinhibitoren bei unterschiedlichen Substrattemperaturen und Inhibitorkonzentrationen, Selektion des Ureaseinhibitors mit der besten Minderungswirkung, Quantifizierung weiterer Einflussfaktoren auf die Wirkung des ausgewählten Ureaseinhibitors. Zur Beurteilung der Inhibitorwirkung sollte außerdem durch eine Flüssigmistanalyse auch jeweils das im Flüssigmist in seiner protonierten Form als Ammonium vorliegende Ammoniak erfasst werden. Zusätzlich sollten für den ausgewählten Ureaseinhibitor erste Hinweise zur Langzeitwirkung, zum Einfluss auf die Biogasbildung und zur Wirkung in Schweineflüssigmist abgeleitet werden. Zur Durchführung der Untersuchungen wurde ein Behälter-Wasserbad-Messsystem aufgebaut und validiert. Die mit jeweils 2 l Flüssigmist befüllten 28 Messbehälter des Messsystems arbeiteten nach dem Prinzip der dynamischen Kammer und konnten mittels eines Wasserbades konstant temperiert werden. Zur quasi-kontinuierlichen Messung der Ammoniakkonzentrationen im jeweiligen Messbehälter wurde ein Gasanalysegerät auf Basis der NDIR-Spektroskopie verwendet. Die in den Hauptversuchen angewandte standardisierte Versuchsdurchführung wurde in Vorversuchen entwickelt. Von den fünf untersuchten Ureaseinhibitoren (vier neue Wirkstoffe + Referenzwirkstoff NBTPT) wurde der Ureaseinhibitor D für weitere Untersuchungen im Projekt selektiert, da dieser Inhibitor die beste (signifikante) Minderungswirkung zeigte, welche hinsichtlich der Ammoniakfreisetzung von der Substrattemperatur und von der Inhibitorkonzentration abhängig war. Für eine effektive Minderung der Ammoniakfreisetzung erscheint es sinnvoll, geringere Mengen des Inhibitors öfter auszubringen. Der Ureaseinhibitor D zeigte eine signifikante Minderungswirkung unabhängig von der Herkunft und der Schichtdicke des jeweiligen Flüssigmistes. Im Vergleich der mit dem Ureaseinhibitor behandelten D-Varianten wurde jedoch bei einer Schichtdicke von 4 mm signifikant mehr Harnstoff zu Ammoniak- und Ammonium-Stickstoff umgesetzt als bei einer Schichtdicke von 90 mm. Abgesehen von der Ammoniakfreisetzung ergab sich aus der Stickstoff-Bilanzierung aller jeweils durchgeführten Versuche kein Hinweis auf weitere nennenswerte gasförmige Stickstoffverluste, wie z.B. durch Lachgas. In den Untersuchungen konnte kein signifikanter Einfluss des Ureaseinhibitors D auf die (harnstoffunabhängige) Grundfreisetzung von Ammoniak aus dem jeweiligen Flüssigmist infolge des Abbaus organischer Substanzen nachgewiesen werden. Für die Praxis bedeutet dies, dass der Einsatz des Ureaseinhibitors nur bei Anwesenheit von Harnstoff sinnvoll ist. Die ersten weiterführenden Untersuchungen wiesen auf eine temperaturabhängige Wirkungsdauer des Ureaseinhibitors D hin, ließen keine negativen Effekte durch mit dem Inhibitor D behandelten Flüssigmist auf die Biogasbildung erkennen und zeigten für den Ureaseinhibitor D im Schweineflüssigmist ähnliche Zusammenhänge auf wie in Rinderflüssigmist. Im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen konnte ein Ureaseinhibitor selektiert werden, der im Rinder- und Schweineflüssigmist die Harnstoffhydrolyse und damit auch die Ammoniakfreisetzung signifikant minderte. Die Grundlagenuntersuchungen leisten somit einerseits einen wichtigen Beitrag zur Erweiterung des Kenntnisstandes in diesem Bereich und tragen andererseits zur Entwicklung neuer Techniken bei, um die Ammoniakemissionen aus der landwirtschaftlichen Tierhaltung nachhaltig zu senken.