TransSAPs

 

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TransSAPs - How the spatio-temporal transformation of superabsorbent polymers (SAPs) alters soil processes

TransSAPs
DFG: BU 3763/1-1

 

 

Summary

The increasing demand for food is a severe agricultural challenge. To maintain or even improve yield, much research has been done to identify and understand the underlying processes promoting soil fertility and crop productivity. Following the positive properties of natural, hydrogel-forming biogels in soil (e.g., derived from plant roots or microorganisms, synthetic superabsorbent polymers (SAPs) have been increasingly used since the 1950s for the corresponding purposes of soil improvement ("soil conditioner"). However, the contribution of degradation processes (both biotic and abiotic) on SAP fate in soil further remains unsolved since research has not yet focused on the degradability of SAPs, but rather on their positive, application-relevant effects in soil. Although existing degradation studies on SAPs in soil have highlighted overall low degradation rates, the potential of SAP transformation into plastic-like residues in soil remain unclear. All available studies and preliminary studies carried out by us indicate that these processes could promote the successive and irreversible dehydration of swollen interparticulate hydrogel structures towards less- or even non-rewettable plastic-like solid residues (SAP-SR) with significantly altered morphological and structural characteristics.

The project aims to investigate how and to what extent superabsorbent polymers (SAPs) can be transformed into plastic-like solid residues (SAP-SR) in soil and how and to which extent the originally SAP-related gel effect is consequently altered. Since the application objective of SAPs is primarily to optimize water holding capacity, hydraulic conductivity as well as mechanical soil stability, we will mainly focus on the modification of the respectively involved properties and processes. This will enable us to understand whether the original purpose of SAPs and their typically cited benefits remain despite their transformation, or whether they are permanently reduced or even reversed into the negative. To answer the questions, experiments on the degradation and transformation of various common synthetic SAPs will be conducted under different incubation conditions and in different soils. 

 

Zusammenfassung

Die steigende Nachfrage nach Lebensmitteln stellt eine große Herausforderung für die Landwirtschaft dar. Um die Erträge aufrechtzuerhalten oder sogar zu steigern, wurde verstärkt über die grundlegenden Prozesse, die die Bodenfruchtbarkeit und die Pflanzenproduktivität fördern, geforscht. In Anlehnung an die positiven Eigenschaften von natürlichen, hydrogelbildenden Polymere im Boden (z. B. Mucilage aus Pflanzenwurzeln oder EPS aus Mikroorganismen) werden seit den 1950er Jahren zunehmend synthetische superabsorbierende Polymere (SAPs) für die entsprechenden Zwecke der Bodenverbesserung ("Bodenverbesserer") eingesetzt. Der Beitrag von (biotischen und abiotischen) Abbauprozessen zum Schicksal und Verbleib von SAPs im Boden bleibt jedoch weiterhin ungelöst, da sich die Forschung bisher nicht auf die Abbaubarkeit von SAPs, sondern auf ihre positiven, anwendungsrelevanten Effekte im Boden konzentriert hat. Obwohl vorhandene Abbaustudien zu SAPs im Boden auf insgesamt niedrige Abbauraten hinweisen, bleibt deren Umwandlungspotenzial zu plastikähnlichen Rückständen im Boden unklar. Alle verfügbaren Studien sowie die von uns durchgeführten Voruntersuchungen deuten darauf hin, dass diese Prozesse die sukzessive und irreversible Dehydratisierung von gequollenen interpartikulären Hydrogelstrukturen zu weniger oder sogar nicht wiederbenetzbaren plastikähnlichen Rückständen (SAP-SR) mit deutlich veränderten morphologischen und strukturellen Eigenschaften fördern könnten.

Somit soll in diesem Projekt untersucht werden, wie und in welchem Ausmaß SAPs im Boden in plastikähnliche feste Rückstände umgewandelt werden können und wie bzw. in welchem Ausmaß deren ursprüngliche positive Gelwirkung dadurch verändert wird. Da das Anwendungsziel von SAPs in erster Linie darin besteht, das Wasserhaltevermögen, die hydraulische Leitfähigkeit sowie die mechanische Bodenstabilität zu optimieren, fokussiert sich das Projekt hauptsächlich auf die Modifikation der jeweils beteiligten Eigenschaften und Prozesse. So lässt sich nachvollziehen, ob der ursprüngliche Zweck der SAPs und ihre typischerweise angeführten Vorteile trotz ihrer Umwandlung erhalten bleiben, oder ob sie dauerhaft reduziert oder sogar ins Negative verkehrt werden. Zur Beantwortung der Fragen werden Experimente zum Abbau und zur Transformation verschiedener gängiger synthetischer SAPs unter unterschiedlichen Inkubationsbedingungen und in verschiedenen Böden durchgeführt.

 

Projektleitung / Project leaders

Dr. Christian Buchmann (project leader)

Prof. Dr. Gabriele E. Schaumann (project co-supervision)

 

Mitarbeiter / Staff

N.N.

 

Kooperationspartner

Prof. Dr. Stephan Peth (Leibnitz University Hannover)

Dr. Mathilde Knott

M. Sc. Zacharias Steinmetz

 

Publikationen TransSAPs

mit peer-Review

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Andere Publikationen

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