Der Einsatz von Pflanzenkohle in der Tierfütterung

1. Einleitung

Kaskadennutzung von Pflanzenkohle in der Tierhaltung

Pflanzenkohle ist zu wertvoll und zu kostspielig, um sie nur einmal zu nutzen. Es gibt mehr als 55 Anwendungsmöglichkeiten von Pflanzenkohle, die von der Nutzung als Baumaterial und der Anwendung in Textil- und Papierindustrie bis zur Konservierung von Nahrungsmitteln, der Abschirmung elektromagnetischer Felder in Elektrobauteilen und der Abwasserbehandlung sowie  der Herstellung von Batterien reichen (Conte et al., 2015; Schmidt, 2012).  Bei nahezu all  diesen Anwendungen kann die verwendete Pflanzenkohle am Ende ihres ursprünglichen Nutzungszyklus in verschiedenen anderen Bereichen nutzbringen weiterverwendet werden. Am Ende dieser Nutzungskaskaden kann die Pflanzenkohle dann, je nach Reinheits- und Anreicherungsgrad mit Nährstoffen entweder als Bodenverbesserungsmittel aufbereitet oder der energetischen Nutzung zugeführt werden.

Die momentan vielversprechendste Möglichkeit, Pflanzenkohle vor ihrer letztlichen Anwendung als Bodenverbesserer wirtschaftlich und ökologisch nutzbringend einzusetzen, ist die Kaskadennutzung in der Tierhaltung. Pflanzenkohle kann dabei als Siliermittel, als Futtermittel, in der Einstreu, zur Güllebehandlung und als Kompostzusatz eingesetzt werden. In all diesen Anwendungsbereichen soll Pflanzenkohle nicht nur die Qualität des Endprodukts verbessern, sei es die Qualität der Silage, die Tiergesundheit oder die Düngeeigenschaften der Gülle und des Kompostes, , sondern nach Möglichkeit auch die klima-und umweltschädlichen Verluste von Nährstoffen reduzieren. Vermutlich reichert sich die Pflanzenkohle von Nutzungsstufe zu Nutzungsstufe mit mehr organischen Nährstoffen an und würde so zu einem wertvolleren organischen Düngemittel für die Landwirtschaft (Schmidt and Shackley, 2016; Schmidt et al., 2015).

Durch den Einsatz in der Tierhaltung modifizieren sich die chemischen und physikalischen Eigenschaften der Pflanzenkohle. Ebenso wie in der Kompostierung durchläuft die Pflanzenkohle wahrscheinlich auch im Verdauungsprozess einen beschleunigten Alterungsprozess, bei dem sich vermehrt funktionelle Gruppen an den verzweigten Oberflächen der Pflanzenkohle herausbilden können (Joseph et al., 2015b) und die Redoxaktivität erhöht wird (Joseph et al., 2015a; Kluepfel et al., 2014). Es wird vermutet, dass sich durch die Beladung der Pflanzenkohle mit flüssigen organischen Nährstoffen, sei es im Verdauungstrakt, in der Einstreu oder in der Güllegrube, die inneren Oberflächen der porenreichen Kohle mit einer organischen Schicht überzieht, welche sowohl die Wasserspeicherfähigkeit als auch die Nährstoffaustauschkapazität erhöhen (Conte et al., 2013; Kammann et al., 2015; Schmidt et al., 2015). Praxiserfahrungen und neueste Versuchsergebnisse weisen darauf hin, dass die beladene Pflanzenkohle am Ende der Nutzungskaskade in der Tierhaltung zu einem wertvollen organischen Dünger werden könnte, welcher chemische NPK-Dünger ersetzen kann und damit die Möglichkeit bietet, aus den Abfallstoffen der Tierhaltung Düngemittel mit hoher Wertschöpfung zu generieren (Schmidt et al., 2015).

Die Nutzung von Pflanzenkohle in der Tierhaltung wurde erst vor wenigen Jahren wiederentdeckt und seitdem verstärkt genutzt (Gerlach and Schmidt, 2012). Abgesehen von einer Reihe tierärztlicher Veröffentlichungen aus dem letzten Jahrhundert wurden erst seit 2010 wieder wissenschaftlich Untersuchungen über die Fütterung von Pflanzenkohle und deren Einfluss auf die Gesundheit verschiedener Tierarten, auf die Futtereffizienz und den Pathogenbefall sowie auf die Emissionen von Treibhausgasen in der Tierhaltung veröffentlicht. Noch weisen die wissenschaftlichen Grundlagen eine Reihe systematischer Lücken auf, und es ist nach wie vor unklar, weshalb Pflanzenkohle als Futterzusatz die allgemein beobachteten positiven oder neutralen Wirkungen entfaltet.

Für viele Landwirte sind die wissenschaftlichen Erklärungsmodelle allerdings eher unerheblich, solange (1) sichergestellt ist, dass keine negativen Auswirkungen auf die Tiergesundheit und auf die Umwelt zu befürchten sind, und dass (2) die positiven Wirkungen auf Tiergesundheit und Produktivität die Mehrkosten und den Aufwand überwiegen. Da die eigenen Ergebnisse und Beobachtungen bei der Fütterung von Pflanzenkohle offenbar überzeugend sind, nimmt jedes Jahr die Anzahl der Pflanzenkohle fütternden Landwirte zu, so dass derzeit über 80 % der durch die Europäische Pflanzenkohle Stiftung (EBC) zertifizierten Pflanzenkohlen in die Tierhaltung verkauft werden (Schmidt and Shackley, 2016). Zudem versetzen mittlerweile auch Futtermittelerzeuger immer häufiger ihre Mischfuttermittel mit Pflanzenkohle, ohne dies allerdings als besonderes Argument in der Werbung zu verwenden. Da schadstofffreie, entsprechend kontrollierte Pflanzenkohle nach der EU-Verordnung als Futtermittel zugelassen ist (EU-Commission, 2011), steht dem auch nichts im Wege.

Im Folgenden soll eine Zusammenfassung des derzeitigen Wissensstandes für die Anwendung von Pflanzenkohle als Futtermittel gegeben werden. Nach einem historischen Überblick wird auf die Funktionsweise von Pflanzenkohle in der Fütterung von Tieren eingegangen. Im dritten Teil geht es um die Adsorption von Schadstoffen und Pathogenen, im vierten Teil um die Auswirkung der Fütterung auf die Produktivität und das Wohl verschiedener Nutztierarten. In den abschließenden Teilen geht es um etwaige Nebenwirkungen, die Art der Verabreichung, um Treibhausgas- und Ammoniak-Emissionen, sowie um die Zulassungspraxis und die Qualitätskontrolle.

2. Historischer Überblick zum Einsatz von Pflanzenkohle als Futtermittel bzw. als Futterzusatz

Holzkohle ist eines der ältesten Hausmittel gegen Verdauungsstörungen sowohl bei Menschen als auch bei Haustieren (Cato, §70, 1935). Neben Kräutern und Tonerde wurde Holzkohle von Tierhaltern fast aller Kulturen für die Behandlung sämtlicher innerer und einiger äußerer Krankheiten ihrer Tieren verwendet. Es hat offenbar nie geschadet, aber meistens genützt (Derlet and Albertson, 1986). Während die Kohle für einige Tierarten wie Hühner und Schweine pur verabreicht wurde, gab man sie anderen Tieren gemischt mit Butter (Rinder), Eiern (Hunde) oder mit Fleisch (Katzen) (O’Toole et al., 2016).

In einem 1906 erschienenen Lehrbuch über Tierhaltung wurde angemerkt: „Schweine scheinen geradezu süchtig nach ‚unnatürlichen Substanzen’“. Dies trifft insbesondere auf Sauen zu, die in engen Ställen gehalten werden. Sie fressen geradezu gierig solche Dinge wie Holzkohle, Asche, Braunkohle, fauliges Holz, usw. Wahrscheinlich sind einige dieser Substanzen nicht sonderlich gut für Schweine, aber es besteht kein Zweifel, dass Holzkohle und Holzasche positive Wirkungen zeigten und zur Beruhigung der Schweine beitrugen“ (Day, 1906).

Fachzeitschriften für Landwirtschaft und Tierhaltung aus dem späten 19ten und frühe 20ten Jahrhundert diskutierten ausgiebig sogenannte „tonische Mittel“ für Kühe. Diese bestanden hauptsächlich aus Holzkohle und enthielten zudem Gewürze wie Pfeffer oder bittere Enzianwurzel. Die Hersteller dieser tonischen Mittel behaupteten, sie würden Verdauungsstörungen beheben, den Appetit verbessern und die Milchproduktion erhöhen (Pennsylvania State College, 1905).

In den USA wurde Holzkohle damals offenbar als vorzüglicher Futterzusatz zur Erhöhung des Butterfettgehaltes von Milch angesehen. Anfang des 20ten Jahrhunderts hielt man dort Wettkämpfe für den Buttermilchgehalt von Kuhmilch ab, und die Landwirte legten entsprechend viel Sorgfalt auf die Zusammenstellung der Futterrationen: „Die Getreidemischung, die während der Versuchsphase gefüttert wurde, bestand aus 50 kg getrocknetem Gärgetreide, 25 kg Weizenbran, 50 kg gemahlenen Hafer, 50 kg Maisbrei, 50 kg Baumwollsaatmehl... Holzkohle fehlt, wenn überhaupt, so nur selten in den Mischungen der Kuhzüchter“ (Savage, 1917). Später berichteten (Totusek und Beeson, 1953), dass Pflanzenkohle-Produkte spätestens seit 1880 in der Schweinezucht und seit 1940 in der Hühnerhaltung als Futtermittel eingesetzt wurden, und zitieren eine Vielzahl von Veröffentlichungen aus der ersten Hälfte des 20ten Jahrhunderts. Etwa zur gleichen Zeit schrieben (Steinegger und Menzi, 1955): „Es ist in der Schweiz allgemein üblich, Holzkohle zum Hühnerfutter und zum Legehennen-Mehl zu mischen, um Verdauungsproblemen vorzubeugen und überhaupt die Verdauung zu regulieren".

Holzkohle und Wildtiere

Auf den ersten Blick mag es unnatürlich erscheinen, Tiere mit Pflanzenkohle zu füttern, doch sogar Wildtiere knabbern gelegentlich an Holzkohle, sofern sie frei verfügbar ist. Tatsächlich ist Holz und Pflanzenkohle ja keineswegs eine unnatürliche Substanz, sondern sie entsteht in relevanten Mengen bei durchaus regelmäßig sich ereignenden Wildfeuern. Noch viele Jahre nach Waldbränden können Wildtiere allenthalben Holzkohlestücke finden. Es wurde mehrfach beobachtet, wie Rotwild und Elche Holzkohle von verkohlten Baumstümpfen im Yellowstone National Park fressen; selbst  Haushunde bedienen sich an Holzkohlestücken (Struhsaker et al., 1997). Berühmt in dieser Hinsicht ist der Zanzibar Red Colobus (Procolobus kirkii), ein kleiner Affe auf der Insel Zanzibar, der regelmäßig Holzkohle frisst, um so frische Mango- (Mangifera indica) und Mandelblätter (Terminalia catappa) mit ihren eigentlich für sie toxischen Phenolen zu verdauen (Cooney und Struhsaker, 1997). Struhsaker und Kollegen (1997) beobachteten, dass jene Colobus-Affen täglich 0,25 – 2,5 g Holzkohle pro kg Körpergewicht fressen. Adsorptionstests, die von Cooney und Struhsaker (1997) durchgeführt wurden, zeigten, dass insbesondere die afrikanischen Waldmeilerkohlen, von welchen die Affen ebenfalls fraßen, ausgezeichnete Ergebnisse bei der Aufnahme von heißextrahierten phenolischen Substanzen der oben erwähnten Baumblätter aufwiesen. Die Autoren schlossen aus ihren Untersuchungen, dass das tägliche Fressen von Holzkohle ein vermutlich selbsterlerntes Verhalten der Affen sei, um die Verdaulichkeit ihrer typischen Blattkost zu verbessern. Tatsächlich stellte sich bei Zählungen auf der afrikanischen Insel heraus, dass die Holzkohle fressenden Colobus-Affen die höchste Populationsdichte aller Affenarten der Welt aufwiesen. Somit scheint ihnen der tägliche Verzehr von (nicht zertifizierter) Holzkohle auch langfristig offenbar nicht zu schaden.

3. Funktionsweise von (aktivierter) Pflanzenkohle in der Fütterung

3.1. Adsorption

Bevor Pflanzenkohle Anfang der 2000er Jahre als Futtermittel untersucht und eingesetzt wurde, galt aktivierte Pflanzenkohle insbesondere als Tierarznei bei Verdauungsstörungen und Vergiftungen. Auch Holzkohle ist seit vielen Jahrhunderten als Notfallbehandlung bei Vergiftungen von Tieren (und Menschen) bekannt (Decker and Corby, 1971).

Pflanzenkohle bzw. Aktivkohle wurde und wird hierbei aufgrund ihrer hohen Adsorptionskapazität für eine Vielzahl verschiedener Toxine eingesetzt. Gegenstand wissenschaftlicher Untersuchungen waren hier insbesondere die Adsorption von Mykotoxinen, Pflanzentoxinen, Pestiziden sowie toxischen Stoffwechselprodukten von Pathogenen. Die sogenannte Adsorptionstherapie, wobei aktivierte Pflanzenkohle als nicht verdauliches Trägermittel eingesetzt wird, gilt als eine der wichtigsten Methoden zur Verhinderung gesundheitsschädigender oder tödlicher Wirkungen von oral aufgenommenen Toxinen (McKenzie, 1991; McLennan and Amos, 1989).

Aus Sicht der Toxikologie basiert die Wirkung der Pflanzenkohle dabei auf den folgenden Mechanismen: Adsorption, Koadsorption, Kompetition, Chemosorption, Adsorption mit nachfolgender chemischer Reaktion, Desorption (Gerlach und Schmidt, 2012). Allerdings sind hier die zeitabhängigen Vorgänge der Adsorption, Verteilung, Biotransformation und der Ausscheidung der zu betrachtenden toxischen Substanzen im Verdauungstrakt der Tiere zu unterscheiden und einzuordnen.

In seiner 1984 veröffentlichten Dissertation: „Aktivkohle und ihre Wirkung auf Bakterien und deren Toxine“ beschreibt Ulf Schirrmann (Schirrmann, 1984) die Aktivkohle in ihrer Wirkung auf Bakterien und deren Toxine im Gastrointestinaltrakt:

1. Adsorption von Proteinen, Aminen, Aminosäuren
2. Adsorption von Enzymen des Verdauungstraktes sowie Konzentrierung bakterieller Exoenzyme an der Aktivkohle
3. Adsorption mobiler, über spezielle Anheftungsmechanismen verfügender Keime durch Chemotaxis.
4. Spezifische Besiedlung der Pflanzenkohle mit gram-negativen Keimen mit erhöhter Stoffwechselleistung, was einerseits zu geringerer Produktion zu resorbierender Endotoxine und andererseits zu rascherer Adsorption dieser Toxine an die Kohle führt.

Ein weiterer großer Vorteil in der Anwendung von Pflanzenkohle liegt in der Fähigkeit zur „Enteralen Dialyse“. Dies heißt, bereits absorbierte lipophile Toxine können durch die Kohle aus dem Blutplasma entfernt werden, wobei die große Adsorptionskraft der Kohle  mit den günstigen Permeabilitätseigenschaften des Darmes interagieren (Schirrmann, 1984). Die Geschwindigkeit der Adsorption hängt vermutlich von der Porengröße der Aktivkohle ab (Gerlach and Schmidt, 2012).

(Pond, 1986) erläutert in ihrer frühen medizinischen Studie verschiedene Mechanismen, aufgrund derer die Pflanzenkohle Toxine aus dem Körper eliminieren kann. Pflanzenkohle kann erstens den enterohepatischen Kreislauf unterbrechen und verhindern, dass Verbindungen wie Östrogene und Progestagene, Digitoxin, organische Quecksilber- und Arsenverbindungen sowie Indomethacin von der Galle aufgenommen werden. Zweitens betrifft dies Verbindungen wie Digoxin, die aktiv in den Darm ausgeschüttet werden. Drittens werden Verbindungen wie Pethidine adsorbiert, die passiv in den Darm diffundieren. Viertens kann die Pflanzenkohle Verbindungen aufnehmen, welche entlang eines Konzentrationsgradienten zwischen Darmblut und Primärharn diffundieren.

3.2 Redoxpotential, Elektronenvermittlung und mikrobielles Milieu

Während die Adsorptionskapazität der am häufigsten untersuchte und bekannteste Wirkungsmechanismus von Pflanzenkohle ist, kann die ausschließliche Beschränkung auf diese Funktion nicht sämtliche beobachteten Phänomene erklären.  Erst seit kurzem wird eine weitere, womöglich entscheidende Funktion der Pflanzenkohle, nämlich ihre elektro-biochemische Interaktion in biologisch aktiven Systemen diskutiert. Pflanzenkohle, die bei Temperaturen von über 550°C hergestellt wurde, ist nicht nur ein guter elektrischer Leiter (Mochidzuki et al., 2003; Yu et al., 2015), sondern kann in chemischen und mikrobiellen Redoxreaktionen als Elektronen-Vermittler (electron mediator) sowohl Elektronen aufnehmen als auch abgeben (Husson, 2012; Joseph et al., 2015a; Kluepfel et al., 2014; Liu et al., 2012; Van der Zee and Cervantes, 2009; Yu et al., 2015). Die elektrische Leitfähigkeit von Pflanzenkohle beruht dabei nicht auf einem kontinuierlichen Elektronentransfer wie z.B. bei einem Kupferdraht, sondern auf einem diskontinuierlichen Elektronen-Hopping (Kastening et al., 1997), was von entscheidender Bedeutung für die Funktion der Elektronen-Vermittlung ist.

Beim mikrobiellen Abbau organischer Substanzen im Verdauungstrakt und insbesondere im anaeroben Pansen sind Bakterien darauf angewiesen, Elektronen, die beim Abbau organischer Substanz überzählig werden, abzugeben. Dies geschieht in komplexen Redoxreaktionen, durch die Moleküle oder Atome Elektronen abgegeben (donnate) und von anderen Molekülen oder Atomen aufgenommen (accept) werden. Damit diese Verdauungsreaktionen stattfinden können, müssen diese Redoxreaktionen, bei denen es zum Austausch von Elektronen kommt, in der Regel in unmittelbarer Nähe voneinander stattfinden, denn Elektronen können nicht frei im Verdauungssaft schwimmen, sondern sind immer durch Atome bzw. Moleküle gebunden und können immer nur von einem Atom (Bindungszustand) zu einem anderen übergehen.

Die direkte Kopplung der Elektronen abgebenden und aufnehmenden Reaktionen (Redoxreaktion) kann allerdings durch einen sogenannten Elektronenvermittler (electron mediator) überbrückt werden, indem er an der einen Stelle Elektronen eines chemisch reagierenden Moleküls oder Atoms aufnimmt und sie an anderer Stelle wieder an ein anderes Atom oder Molekül abgibt. Es gibt zahlreiche solche elektronenvermittelnden Substanzen, wie z.B. Thionin, Tannine, Methylblau oder Quinon, doch besonders große und effiziente natürliche Elektronenvermittler sind Huminsäuren, Holzessig und Pflanzenkohle (Bhatta et al., 2012; Kluepfel et al., 2014; Kluepfel et al., 2014; Liu et al., 2012; van der Zee et al., 2003).

Zwar sind in einer ausgewogenen Tierernährung natürlicherweise zahlreiche elektronenvermittelnde Substanzen enthalten, doch gerade bei intensiver, energiereicher Fütterung sind diese häufig nicht ausreichend (Sophal et al., 2013). Werden inerte oder sonstige nicht-toxische Elektronenvermittler wie z.B. Pflanzenkohle, Holzessig oder Huminsäuren dem Futter zugesetzt, können offenbar vielfältige Redoxreaktionen effizienter ablaufen, was wahrscheinlich die Energieausbeute und damit die Futtereffizienz erhöht (Leng et al., 2013a; Liu et al., 2012).

Im Verdauungstrakt verschiedener Tiere werden quasi alle Futter abbauenden Reaktionen von Mikroorganismen (v.a. Bakterien, Archaeen, Ciliaten) ausgeführt bzw. vermittelt. Hierbei agieren die mikrobiellen Zellen ihrerseits häufig auch als Elektronenvermittler, da sie nur eine bestimmte Menge an Elektronen in innerzellularen Verbindungen aufnehmen können und überzählige Ladungen abgeben müssen. Diese Ladungsverteilung und -vermittlung geschieht häufig über den Biofilm, mit dem die zu verdauenden Futterpartikel überzogen werden. Allerdings sind bakterielle Biofilme keine sonderlich guten elektrischen Leiter, so dass sich mikrobielle Redoxreaktionen durch andere Elektronen vermittelnde Substanzen wie Huminsäuren oder eben Pflanzenkohle optimieren lassen. Tatsächlich ist die elektrische Leitfähigkeit von aktivierten Pflanzenkohlen um das 100 bis 1000fache höher als die von bakteriellen Aggregaten (Liu et al., 2012).

Auch wenn die Leitfähigkeit von nicht aktivierten Pflanzenkohlen deutlich niedriger ist, konnten (Chen et al., 2014) nachweisen, dass Pflanzenkohle Elektronen zwischen Bakterienzellen transportieren kann (im Englischen wird hierfür der Begriff „electron shuttling“ verwendet). Dank der Elektronenvermittlung über die Pflanzenkohle kann ein Bakterium z.B. an einer Seite eines Pflanzenkohlepartikels ein Elektron abgeben und ein anderes Bakterium an einer anderen Stelle des gleichen Partikels ein anderes Elektron wieder aufnehmen. Die Pflanzenkohle fungiert hier quasi wie eine Batterie, die je nach Bedarf der Reaktionszentren aufgeladen oder entladen wird (Liu et al., 2012). Pflanzenkohle erleichtert somit den direkten Elektronentransfer zwischen verschieden mikrobiellen Arten (der englische Fachbegriff lautet: direct interspecies electron transfer (DIET)) oder Konsortien (d.h. funktionellen mikrobiellen Gemeinschaften verschiedener Arten) (Chen et al., 2014). Es ist zu vermuten, dass sich dadurch die Effizienz des biologischen Abbaus der Futterstoffe verbessert, und sich somit die Energieeffizienz der Verdauung und schließlich die Futternutzungseffizienz erhöht. (Leng et al., 2012) vermuten zudem, dass dies auch ein Grund für die von ihnen festgestellte Reduktion von Methanemissionen bei Rindern durch Fütterung von Pflanzenkohle sein könnte (siehe Abschnitt 6 unten).

Es ist darüber hinaus sehr wahrscheinlich, dass Pflanzenkohle im Verdauungstrakt auch direkt als Redoxrad (redox wheel) fungiert und ähnlich wie ein Fe^III-F^II-Redoxrad als variabler Elektronenakzeptor und Elektronendonator verschiedenste Redoxreaktionen koppelt (Davidson et al., 2003; Joseph et al., 2015a; Quin et al., 2015). Pflanzenkohle enthält neben dem eigentlichen polyaromatischen Gerüst eine Vielzahl volatiler und/oder auswaschbarer organischer Kohlenstoffverbindungen (VOCs, DOCs) (Graber et al., 2014; Spokas et al., 2011), die teils selbst starke Elektronenakzeptoren sind oder, wie beispielsweise Quinone, selbst als Redoxrad fungieren können (van der Zee et al., 2003). (Yu et al., 2015) bezeichnet diese als redox-aktive funktionale Gruppen (RAMs). Es kann vermutet werden, dass an einem Pflanzenkohlestück im Verdauungstrakt eine Vielzahl verschiedener RAMS oder Redoxräder simultan mit unterschiedlichen Mikroorganismen interagieren.  Die Pflanzenkohle kann somit in unmittelbarer Umgebung ihrer Oberflächen das Redoxpotential puffern und für verschiedene Mikroorganismen stabile Mikrohabitate mit verschiedenen Redox-pH-Milieus bieten (Yu et al., 2015). Hinzu kommt, dass Pflanzenkohle andere, natürlich im Futter vorhandene oder durch den Stoffwechsel entstehende Substanzen wie Tannine, Phenole oder Thionin adsorbiert, welche ebenfalls Elektronenakzeptoren sind und somit möglicherweise die Elektronenpufferung der Pflanzenkohle während der Verdauung noch weiter verbessern. Die Pflanzenkohle macht daher nicht nur Toxine durch Adsorption unschädlich, sondern nutzt vermutlich sogar deren Redoxpotential und verbessert die eigene „Batterieleistung“.

Ebenso wie Huminsäuren und der bei der Pyrolyse entstehende Holzessig wirkt Pflanzenkohle als Redoxpuffer (Husson, 2012; Kluepfel et al., 2014), was nicht zuletzt erklärt, weshalb die Fütterung mit Huminsäuren, Holzessig und Pflanzenkohle jeweils ähnliche Wirkungen zeitigt, und weshalb die gemischte Verabreichung zusammen mit Pflanzenkohle die einzelnen Effekte offenbar noch verstärkt (Gerlach et al., 2014b; Watarai et al., 2008).(Gerlach et al., 2014b; Watarai et al., 2008). Pflanzenkohle bietet im Gegensatz zu flüssigen Zusätzen ein stabiles, oberflächenreiches Gerüst, über das sich die organischen Flüssigkeiten auf geringstem Raum mit maximaler Oberfläche entfalten können (organic coating), um v.a. im Makroporenbereich mikrobiell besiedelt zu werden. Dank der Redoxpuffer-Wirkung werden die für Bakterien besonders schädlichen Schwankungen des Redoxpotentials im Verdauungstrakt verringert, was wiederum die Aktivität jener Mikroorganismen fördert, die in den jeweiligen Bereichen ihr Optimum finden (Cord-Ruwisch et al., 1988; Kalachniuk et al., 1978). Gerade im Umkreis von selbst kleinsten Pflanzenkohlepartikeln können sich so mikrobielle Hotspots und stabilere Redoxreaktionszentren ausbilden. Es ist zudem zu vermuten, dass sowohl die Pufferung des Redoxpotentials als auch der Effekt der Elektronenvermittlung zwischen verschiedenen mikrobiellen Arten ein selektives, milieubildendes Kriterium ist, das die Ausbildung funktionaler Konsortien oder bestimmter Artenspektren beschleunigt oder begünstigt (Kalachniuk et al., 1978). Dies könnte erklären, weshalb in mehreren Studien z.B. eine starke Zunahme von Laktobazillen oder eine Abnahme von gram-negative Bakterien festgestellt wurde (Choi et al., 2009; Naka et al., 2001).

Noch steht die Wissenschaft hinsichtlich der elektrochemischen Beeinflussung der Verdauung durch bestimmte Futtermittelzusätze relativ am Anfang, aber basierend auf den bereits vorhandenen Erkenntnissen aus der technischen Elektrochemie (Gregory et al., 2004; Konsolakis et al., 2015; Nevin et al., 2010) lässt sich mit einiger Sicherheit die Hypothese aufstellen, dass Pflanzenkohle einen direkten elektrochemischen Einfluss auf die Verdauungsreaktionen ausübt und dass dies auch ein Grund, wenn nicht der Hauptgrund, für die unterschiedliche Wirkung unterschiedlicher Pflanzenkohlen ist. Elektrische Leitfähigkeit, Redoxpotential, Elektronenpufferung und Elektronenvermittlung einer bestimmten Pflanzenkohle variieren je nach der für sie verwendeten Biomasse, Pyrolysetemperatur und Pyrolysebedingungen erheblich (Yu et al., 2015). Je höher die Temperatur und je geringer der Kondensat-Anteil, desto besser ist die Leitfähigkeit und Elektronenpufferung (Joseph et al., 2015a), wobei auch der Mineralgehalt eine entscheidende Rolle spielt. Es schränkt daher zukünftige Anwendungsoptionen sehr stark und unnötig ein, wenn, wie derzeit vom Gesetzgeber vorgegeben, nur aschearme Pflanzenkohle als empfehlenswert betrachtet wird.

Im folgenden Abschnitt wird nun zunächst die Funktion von Pflanzenkohle als Adsorbent von Schadstoffen beschrieben. Der darauffolgende Abschnitt betrachtet die Wirkungen regelmäßiger Fütterung von Pflanzenkohle zur Verbesserung von Leistung und Wohl verschiedener Tierarten.

4. Adsorption von Schadstoffen

4.1 Adsorption von Mycotoxinen

4.2. Adsorption von Pathogenen (Bakterien, Parasiten, Viren) und deren Stoffwechselprodukten

4.3 Adsorption von Pharmaka

4.4 Adsorption von Pestiziden und Umwelttoxinen

4.5 Entgiftung von pflanzlichen Toxinen

5. Regelmäßige Pflanzenkohlefütterung zur Verbesserung von Leistung und Tierwohl

5.1. Rinder

5.2 Ziegen und Schafe

5.3 Schweine

5.4 Geflügel

5.5 Aquakultur

6. Reduktion der Methanemissionen von Wiederkäuern

7. Klimabilanz

8. Mögliche Nebenwirkungen von Pflanzenkohle

9. Verabreichung

10. Pflanzenkohlequalität

11. Zulassung

Der Einsatz von Pflanzenkohle in der Tierfütterung ist von der Europäischen Gemeinschaft (EG) in der Verordnung (EG) Nr. 68/2013 der Europäischen Kommission vom 16. Januar 2013 geregelt (Verordnung (EG) Nr. 68/2013). Im dortigen Verzeichnis der Einzelfuttermittel ist Pflanzenkohle unter 7.13.1 als Pflanzliche Kohle [Holzkohle] geführt und als “Erzeugnis, das durch Verkohlung von Pflanzenmasse gewonnen wird” definiert. Die strikten Qualitätsrichtlinien für Futter sind in der EG Verordnung 178/2002 geregelt (Verordnung (EG) Nr. 178/2002, 2002), besonderes Augenmerk wird hier auf die Einhaltung strenger Grenzwerte für Schwermetalle, Dioxine und Furane gelegt.

Sofern die für Futtermittel vorgeschriebenen Grenzwerte eingehalten werden, ist damit der Einsatz von Pflanzenkohle als Futtermittel in Deutschland grundsätzlich zulässig. Das European Biochar Certificate (EBC) kontrolliert und zertifiziert als freiwilliger Industriestandard seit Januar 2016 auch die Qualität von Pflanzenkohle für den speziellen Einsatz in der Tierfütterung. Die Nutzung des EBC-Futter-Zertifikats garantiert einerseits die Einhaltung aller von der EG Verordnung vorgeschriebenen Grenzwerte für Futtermittelt und zertifiziert darüber hinaus die nachhaltige Herstellung und Anwendung sowie weitere Pflanzenkohle relevante Kriterien (EBC, 2012). Mit Genehmigung der European Biochar Foundation, der Herausgeberin des EBC-Zertifikates, wird der Wortlaut der Richtlinien zur EBC-Futter-Zertifizierung im Anhang wiedergegeben.

In der Schweiz wurde Pflanzenkohle der Firma Verora, die nach EBC-Futter zertifiziert wurde, 2016 auf die FIBL-Betriebsmittelliste (FIBL = Forschungsinstitut für biologischen Landbau) gesetzt und ist unter dem Namen „Futterkohle“ in der biologischen Tierhaltung zugelassen (Speiser et al., 2016).

In Deutschland sind die meisten Viehhaltungsbetriebe QS, GMP+ oder Bio zertifiziert. Während das GMP+ Label Pflanzenkohle auf seiner Futtermittelliste führt, ist dies weder bei QS, noch bei den verschiedenen Biozertifizierungen bisher der Fall. Um eine QS-Zertifizierung von Pflanzenkohle zu ermöglichen, müsste Pflanzenkohle zunächst als Einzelfuttermittel in die Positivliste bei der Normenkommission Einzelfuttermittel des Zentralausschusses der Deutschen Landwirtschaft (http://www.dlg.org/positivliste_antrag.html) aufgenommen werden. Hierfür ist die Antragstellung einer oder mehrere Hersteller nötig, wobei die Antragsteller die Wirksamkeit und Sicherheit des Futtermittels nachweisen müssen. Für die Zulassung in der biologischen Tierhaltung müssten die Hersteller von Pflanzenkohle oder Pflanzenkohleprodukten entsprechend beantragen, diese auf die FIBL-Betriebsmittelliste Deutschland bzw. Österreich zu setzen.

12. Zusammenfassung

Der Einsatz von Pflanzenkohle als Futtermittel hat das Potential, die Tiergesundheit, die Futtereffizienz und das Stallklima zu verbessern, Nährstoffverluste und die Emission von Klimagasen zu reduzieren sowie den Humusgehalt und somit die Bodenfruchtbarkeit zu erhöhen. In Kombination mit anderen Maßnahmen guter fachlicher Praxis könnte Pflanzenkohle die Nachhaltigkeit der Tierhaltung verbessern. Die Auswertung von über 150 wissenschaftlichen Fachartikeln zur Fütterung von Pflanzenkohle hat aufgezeigt, dass in den meisten Studien und für alle untersuchten Nutztierarten positive Auswirkungen auf unterschiedliche Parameter wie Toxinadsorption, Verdauung, Blutwerte, Futtereffizienz, Fleischqualität und/oder Emissionen gefunden werden konnten. In vielen Studien konnten bei meist positiven Tendenzen keine statistisch signifikanten Resultate gefunden werden. Signifikant negative Auswirkungen wurden jedoch in keiner der ausgewerteten Veröffentlichungen gefunden.

Es ist unzweifelhaft, dass trotz der inzwischen großen Zahl wissenschaftlicher Veröffentlichungen nach wie vor großer Forschungsbedarf besteht. Die bisherige Forschung war häufig stark empirisch orientiert, so dass zwar vieles probiert und die Wirkungen genau gemessen wurden, aber die eigentlichen Mechanismen der Wirkung unerkannt blieben. Dies gilt insbesondere für die in der Fütterung eingesetzten Pflanzenkohlen, die in der Regel schlecht oder gar nicht charakterisiert und bisher nicht systematisch vergleichbar gemacht wurden. Hier wäre ein Zusammenrücken der Forschungsfelder agronomisch genutzter Pflanzenkohle (in Böden und Komposten), wo eine umfangreiche Charakterisierung der Pflanzenkohlen bereits Standard ist, sowie Tierproduktion und Veterinärmedizin dringend erforderlich. Derzeit eilt die praktische Anwendung den Erkenntnissen aus der Forschung eindeutig voraus.

Trotzdem kann auf Basis sowohl der bisher erschienenen wissenschaftlichen Veröffentlichungen als auch der jahrhundertelangen praktischen Erfahrungen geschlussfolgert werden, dass (1.) eine allgemeine Wirksamkeit der Pflanzenkohle als Futtermittel und (2.) die Harmlosigkeit der Fütterung von Pflanzenkohle gewährleistet und nachgewiesen sind.

Während die Wirksamkeit in der Fütterung hinsichtlich der Adsorption von Mycotoxinen, die in über 25 % der weltweiten Futtermittel enthalten sind, ebenso unzweifelhaft feststeht wie die Adsorption einer Vielzahl allgegenwärtiger Pestizide, Umweltgifte und pflanzlicher Toxine im Verdauungstrakt, sowie die Linderung bei Befall verschiedenster bakterieller und viraler Pathogene, konnte eine Zunahme der Futtereffizienz und Produktqualität zwar in vielen, aber bei weitem nicht in allen Fällen nachgewiesen werden. Grundsätzlich gilt: Je besser und ausgewogener das Futter und die Bedingungen der Tierhaltung bereits sind, desto geringer wird der Effekt der Fütterung von Pflanzenkohle sein. Sofern die grundlegende Qualitätsparameter und Anwendungshinweise eingehalten werden (EBC, 2012), spricht allerdings aus Sicht der Autoren nichts gegen die Zulassung und den Einsatz von Pflanzenkohle als Futtermittel. Trotz dieser positiven Gesamtbeurteilung sollte eine regelmäßige Fütterung von Pflanzenkohle die Tierhalter, und vor allem Großtierhalter, nicht dazu verleiten, Abstriche bei der Qualität der Hauptfuttermittel und den Standards artgerechter Tierhaltung hinzunehmen.

13. Literatur