I mer än 100 år, biokol, en kolrik, träkolsliknande ämnen gjorda av syrefattiga växter eller annat organiskt material, har både glatt och förbryllat forskare. Som jordtillsats, biokol kan lagra kol och därmed minska utsläppen av växthusgaser, och det kan långsamt frigöra näringsämnen för att fungera som ett giftfritt gödningsmedel.

Men den exakta kemin med vilken biokol lagrar näringsämnen och främjar växttillväxt har förblivit ett mysterium, så dess kommersiella potential har varit kraftigt begränsad.

Nu, ett internationellt team av forskare, med viktiga bidrag från experter från Colorado State University, har belyst oöverträffade detaljer och mekanistisk förståelse av biokols till synes mirakulösa egenskaper. De Naturkommunikation studie, leds av Tysklands universitet i Tübingen och publicerades 20 oktober, visat hur kompostering av biokol skapar en mycket tunn organisk beläggning som avsevärt förbättrar biokolens gödningsförmåga. En kombination av avancerade analytiska tekniker bekräftade att beläggningen stärker biokolens interaktioner med vatten och dess förmåga att lagra jordnitrater och andra näringsämnen.

Denna förbättrade förståelse för biokols egenskaper kan utlösa en mer utbredd kommersialisering av biokolgödselmedel. En sådan förändring skulle kunna minska det globala beroendet av oorganiska kvävegödselmedel som har fungerat som moderna arbetshästar för livsmedelsproduktion i mer än ett sekel.

I det internationella samarbetet ingick CSU:s Thomas Borch, professor vid institutionen för mark- och växtvetenskap med gemensamma anställningar inom kemi och anläggnings- och miljöteknik, och forskaren Robert Young. CSU-teamet bidrog med högupplöst masspektrometri utförd vid Florida State Universitys National High Magnetic Field Laboratory. Deras data hjälpte till att bekräfta sammansättningen av biokolens kolbeläggning i nanoskala.

"Att karakterisera en supertunn kolbeläggning på ett kolsubstrat är nästan omöjligt, Borch sa. "Vårt internationella team använde många olika avancerade tekniker för att utföra analyserna. Robert Young ledde vår grupps bidrag till masspektrometri med ultrahög upplösning för att undersöka beläggningen och undersöka dess elementära sammansättning."

Studien leddes av Andreas Kappler, av Center for Applied Geoscience vid universitetet i Tübingen, och geoekolog Nikola Hagemann. Författarna satte sig för att undersöka biokol före och efter kompostering med blandgödsel. Med hjälp av en kombination av mikroskopiska och spektroskopiska analyser, forskarna fann att lösta organiska ämnen spelade en nyckelroll i komposteringen av biokol och skapade den tunna organiska beläggningen.

"Denna organiska beläggning gör skillnaden mellan färsk och komposterad biokol, "Beläggningen förbättrar biokolens egenskaper att lagra näringsämnen och bilda ytterligare organiska jordämnen." Hagemann tillade att beläggningen också utvecklades när obehandlad biokol fördes in i jorden - bara mycket långsammare. Komposteringsförsök utfördes på en liten kommersiell skala med hjälp av infrastruktur och expertis från Ithaka Institute i Schweiz.

Överdriven användning av mineraliska kvävegödselmedel eller flytande gödsel i jordbruket har allvarliga effekter på miljön. Sådana gödselmedel orsakar utsläpp av dikväveoxid och resulterar i att nitrater läcker ut i grundvattnet. Som ett miljövänligt alternativ, forskare har föreslagit att man lägger till biokol som näringsbärare i jorden. Men användningen av biokol i stor skala har inte varit ekonomiskt lönsam eftersom man visste så lite om exakt hur det lagrar och frigör nitrater.

"Inom jordbrukets växtodling, högre avkastning uppstår vanligtvis bara när biokol appliceras tillsammans med näringsämnen från icke förkolnad biomassa såsom flytande gödsel, "Att använda biokol utan att tillsätta näringsämnen eller med rena mineralnäringsämnen har visat sig vara mycket mindre framgångsrikt i många experiment."