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NITRATE BIOSENSOR

Dieses Forschungsthema zielt auf einen neuartigen Sensoransatz zur Schonung der fossilen Energieressourcen ab, die massiv in der Landwirtschaft genutzt werden. Allein die Produktion von Stickstoffdüngemitteln verbraucht bis zu 5% der weltweiten Erdgasproduktion. Diese Düngemittel werden im Übermaß auf dem Feld eingesetzt und gehen in Form von Nitraten verloren. Unsere Gruppe befasst sich mit diesem Problem, indem sie Sensoren entwickelt, die den Nitratgehalt in Pflanzen direkt auf dem Feld durch die Landwirte selbst bestimmen, um die Informationen über die Notwendigkeit der Pflanzen zu liefern, den Düngemitteleinsatz in Echtzeit anzupassen1. Die Demokratisierung des Einsatzes solcher Sensoren erfordert einfache Verfahren zur Nitratquantifizierung vor Ort ohne Probenvorbereitung. Zu diesem Zweck wird ein Redoxenzym, das selektiv Nitrat reduziert2, über künstliche Elektronenrelais zu Einmalelektroden kontaktiert. Die wichtigsten Störungen in diesem Sensorkonzept, wenn sie aus dem Labor in die Praxis gebracht werden, sind Sauerstoff aus der Luft. Um dieses Problem zu lösen, entwickeln wir universelle Sauerstofffänger, die mit biochemischen und elektrochemischen Prozessen kompatibel sind. Die Hauptherausforderung besteht darin, eine Sauerstoffreduktionsreaktion zu entwickeln, die zu vollständig inerten Produkten führt3. Enzymatische Sauerstofffänger auf Basis der Kohlenhydratoxidation sind am vielversprechendsten und wir haben die Enzyme Catalase und Pyranoseoxidase ausgewählt, um Sauerstoff mit Glukose zu Wasser zu reduzieren. Solche O2 Spülsysteme halten winzige Mengen (bis zu 20 µL) unter anaeroben Bedingungen über Stunden aufrecht, selbst wenn sie der Umgebungsluft ausgesetzt sind. Die Bedingungen der Systeme wie pH-Wert oder biologische Aktivität werden durch das Sauerstoffreduktionsprodukt4,5 nicht beeinflusst. Wir haben gezeigt, dass das mit dem Nitratbiosensorikkonzept verbundene Sauerstoffabscheidesystem eine schnelle, einfache und zuverlässige Nitratquantifizierung auf dem Feld ermöglicht.
Die Auswirkungen der Nitratbiosensorik auf die Schonung fossiler Ressourcen und die Reduzierung von CO2-Emissionen wurden kürzlich von der KlimaExpo.NRW erkannt, die es zu einem Schwerpunktthema machte, den Klimaschutz zu fördern und aufzuklären6. Das Verfahren wartet auf die Validierung einer anhängigen Patentanmeldung7.

Nitrat Biosensor

  1. Plumeré N., Nachrichten aus der Chemie 2014, 62(7), 777-779.
    DOI: 10.1002/nadc.201490261

  2. Campbell W. H., Henig J., Plumeré N., Bioelectrochemistry, 2013, 93, 46-50.
    DOI: 10.1016/j.bioelechem.2012.07.002

  3. Plumeré N., Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2013, 405(11), 3731-3738.
    DOI: 10.1007/s00216-013-6827-z

  4. Swoboda M., Henig J., Cheng H.-M., Brugger D., Haltrich D., Plumeré N., Schlierf M., ACS Nano, 2012, 6(7), 6364-6369.
    DOI: 10.1021/nn301895c

  5. Plumeré N., Henig J. and Campbell W. H., Analytical Chemistry, 2012, 84, 2141-2146.
    DOI: 10.1021/ac2020883

  6. Plumeré N.,Nitratsensor: Schluss mit Überdüngung - Feldanalytik in der Landwirtschaft.
    KlimaExpo.NRW Motor für den Fortschritt

  7. Plumeré N., Campbell W. H., Campbell E. R., Systems and Methods for Enzymatic Oxygen Removal.
    US2012211372 (A1) - 2012-08-23