Menneskeligt affald kan hjælpe med at bekæmpe den globale fødevareusikkerhed

Forskere fra Cornell University's College of Agriculture and Life Sciences og den canadiske lyskilde (CLS) ved University of Saskatchewan har bevist, at det er muligt at skabe nitrogenrig gødning ved at kombinere de faste og flydende komponenter i menneskeligt affald.

Opdagelsen, offentliggjort for nylig i tidsskriftet Bæredygtig kemi og teknik , har potentiale til at øge landbrugets udbytte i udviklingslandene og reducere forurening af grundvand forårsaget af kvælstofafstrømning.

Særlige separationstoiletter, der blev udviklet gennem Reinvent the Toilet Challenge, har hjulpet med at løse mangeårige sanitære problemer i Nairobis slumkvarterer, Kenya. Imidlertid, metoderne, der blev brugt til at bortskaffe de to udledninger, lykkedes ikke med at opfange et nøglenæringsstof, som lokale marker sultede efter:nitrogen.

Cornell-forskere Leilah Krounbi, en tidligere ph.d. studerende, nu på Weizmann Instituttet i Israel, og Johannes Lehmann, seniorforfatter og professor i jord- og afgrødevidenskab, spekulerede på, om det kunne være muligt at lukke affaldsstrømsløjfen ved at genbruge nitrogen fra urinen, som ellers var ved at blive tabt til afstrømning. Mens andre forskere har konstrueret adsorbere ved hjælp af højteknologiske ingredienser såsom kulstof nanorør eller aktiveret kul, Lehmann og hans team ville vide, om de kunne gøre det med deciderede lavteknologiske materialer som menneskelig afføring. Adsorbere er materialer, hvis overflader kan opfange og holde gas eller væsker.

"Vi var interesserede i at finde ud af, hvordan man kan bringe nitrogen ud af de flydende affaldsstrømme, bringe det på et solidt materiale, så det har en gødningskvalitet og kan bruges i denne idé om en cirkulær økonomi, sagde Lehmann.

Forskerne begyndte med at opvarme den faste bestanddel af menneskeligt affald til 500 grader Celsius i mangel af ilt for at producere et patogenfrit kul kaldet biokul. Næste, de manipulerede overfladen af ​​biokul ved at prime den med CO2, som satte den i stand til at opsuge ammoniak, den nitrogenrige gas, som urinen afgiver. Den kemiske proces fik ammoniakken til at binde sig til biokullet. Ved at gentage processen, de kunne fylde biokullet med ekstra lag nitrogen. Resultatet er et solidt materiale rigt på nitrogen.

Brug af SGM-strålelinjen ved CLS gjorde det muligt for Lehmann og hans team at se, hvordan kemien i nitrogenet ændrede sig, da det adsorberede ammoniak. Strålelinjen gav også en indikation af, hvor tilgængeligt nitrogenet ville være for planter, hvis det resulterende materiale blev brugt som gødning.

"For at forstå, hvad interaktionerne er mellem nitrogen, ammoniakgassen og kulstoffet, der er virkelig ingen anden god måde end at bruge NEXAFS (near-edge, X-ray absorption fin struktur) spektroskopi, som CLS beamline tilbyder, " sagde Lehmann. "Det var virkelig vores arbejdshest at forstå, hvilken slags kemiske bindinger der opstår mellem nitrogengassen og vores adsorber."

Forskerholdet har vist, at det faktisk er muligt at lave en gødning med de mest basale ingredienser, menneskeligt affald. Imidlertid, de har stadig en række spørgsmål at besvare:Kan du optimere processen for at maksimere mængden af ​​ammoniak, der opsuges af biokul? Hvordan vil denne "genbrugte" gødning sammenlignes med eksisterende kommerciel kvælstofgødning til forskellige afgrøder og jord? Kan du bygge en omkostningseffektiv maskine, der udfører denne proces automatisk i en virkelig verden?

Det, der startede som søgen efter en løsning på et meget lokaliseret problem, har udbredt anvendelighed, sagde Lehmann. "Jeg tror, ​​det er lige så vigtigt for et Saskatchewan spildevandsrensningsanlæg, eller en mejerifarm i upstate New York, som det er for en beboer i Nairobi. Det er et grundlæggende princip, der kan bruges overalt."