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Bioeffektoren können den Düngemittelverbrauch senken

Verantwortlicher Autor: Julia Barthold Universität Hohenheim, Stuttgart, 20.01.2019, 11:00 Uhr
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Bioeffektoren können bei Tomaten zu deutlichen Ertragssteigerungen führen.
Bioeffektoren können bei Tomaten zu deutlichen Ertragssteigerungen führen.  Bild: Julia Barthold

Universität Hohenheim, Stuttgart [ENA] Ein Forschungsteam der Uni Hohenheim präsentiert Ergebnisse im Rahmen der Reihe „Schwergewichte der Forschung“. Mikroorganismen und bioaktive Substanzen sollen die im Boden vorhandenen Nährstoffe effektiver verfügbar machen, den Ertrag steigern und eine höhere Stresstoleranz entwickeln.

Stickstoff und Phosphat gehören zu den Hauptnährstoffen für das Pflanzenwachstum. Die Landwirtschaft muss beide Stoffe in Form von Düngern zuführen, um stabile Erträge zu sichern und die Nährstoffe zu ersetzen, die mit den Ernteprodukten dem Nährstoffkreislauf entnommen werden. Doch selbst gut entwickelte Pflanzenwurzeln erreichen oft nur einen Bruchteil der Dünge-Nährstoffe im Boden. Stressfaktoren können das Wurzelwachstum und die Nährstoffaufnahme zusätzlich hemmen. Nicht verwertete Nährstoffe können ausgewaschen werden und ökologische Probleme durch Überdüngung und Umwandlung in klimaschädliche Gase verursachen.

Wissenschaftler der Universität Hohenheim in Stuttgart arbeiten deshalb gemeinsam mit anderen internationalen Universitäten an Möglichkeiten, die Aufnahme von Düngern zu verbessern. Ein möglicher Ansatz sind Mikroorganismen und bioaktive Substanzen. Als sogenannte Bioeffektoren sollen sie die Wurzelaufnahme von Nährstoffen verbessern, indem sie über Signalwirkungen das Wurzelwachstum stimulieren, die pflanzliche Stressabwehr stärken und gebundene Nährstoffe pflanzenverfügbar machen. Ein Schwergewicht der Forschung an der Universität Hohenheim.

Mineralische Dünger verursachen Umweltprobleme

Pflanzen benötigen Nährstoffe für Wachstum und Gesundheit, doch die aktuell verwendeten mineralischen Dünger stehen zunehmend in der Kritik und verursachen immer gravierendere Umweltprobleme. Hinzu kommt: Die klassische Gewinnung von Stickstoff aus der Luft für die Düngerproduktion ist so energieaufwendig, dass mittlerweile zwei Prozent des weltweiten Energieverbrauchs allein dafür aufgewendet wird. Nicht Stickstoff im Dünger kann dann außerdem in Form von Nitrat ausgewaschen werden, Oberflächengewässer überdüngen, das Grundwasser verunreinigen oder in Form von Stickoxiden und Ammoniak in die Atmosphäre gelangen.

Die Zugabe des für das Pflanzenwachstum notwendigen Phosphats in Form von Mineralsalzen ist ebenfalls nicht unproblematisch, denn es handelt sich um einen begrenzten geologischen Rohstoff, der immer auch große Eingriffe in die Natur vor Ort bedeutet. Der Abbau in ausreichender Qualität wird künftig immer aufwändiger und die Anwendung ist, aufgrund von Schwermetallverunreinigungen, auch mit Risiken für die Umwelt verbunden.

Phosphat wird in Böden schnell in Form schwerlöslicher Verbindungen gebunden. Kulturpflanzen können darum während einer Vegetationsperiode meist weniger als 30 Prozent des zugedüngten Phosphats aufnehmen. Durch Ausschwemmung können Phosphate in Oberflächengewässer geraten, wo sie ebenfalls zur Überdüngung beitragen und sich dann als Sedimente in den Ozeanen ablagern und dadurch unwiederbringlich verlorengehen.

Auch Bio-Dünger müssen sich bewähren

Lösungsansätze für diese Probleme gibt es: Alternativen auf Recycling-Basis. Kompostierter Haushaltsabfall und Produkte aus der Abwasseraufbereitung oder Zuckerraffinerien, Aschen, Stallmist, Gülle, Abfallstoffe aus der Tierverwertung und Gärrückstände aus Biogasanlagen sind nur einige Beispiele für Arten von Bio-Düngern.„Ein Problem besteht hier vor allem darin, dass die nötigen Nährstoffe in diesen Düngern häufig nicht durchgängig in ausreichender Menge vorhanden oder pflanzenverfügbar sind“, erklärt apl. Prof. Dr. Günter Neumann vom Fachgebiet Ernährungsphysiologie der Kulturpflanzen an der Universität Hohenheim.

„Sie werden durch die Aktivität von Bodenorganismen erst langsam freigesetzt, können auch pflanzenschädliche Nebenwirkungen entwickeln und Schadstoffrückstände enthalten.“ Es gilt daher, noch andere Faktoren mit zu berücksichtigen als bei Mineraldüngern, um die Düngung an den Bedarf während der Pflanzenentwicklung anzupassen. Das Risiko von Nährstoffverlusten ist auch hier da. Dazu kommt, dass die lokal anfallenden Mengen solcher Recyclingprodukte den Bedarf in der Landwirtschaft nicht decken, oder auch deutlich im Übermaß anfallen können, was sich am Beispiel der mit der Gülleausbringung verbundenen Probleme eindrücklich zeigt.

Bioeffektoren können den Nährstoffverlust verbessern

Auf gesetzlicher Ebene gibt die Düngeverordnung vor, das Zuviel der ausgeschwemmten Düngestoffe in die Umwelt zu begrenzen. Verschiedene Forschungsprojekte arbeiten daran, die ausgebrachten Düngemittel besser und schneller für die Pflanzen verfügbar zu machen. Der gemeinsame Forschungsansatz: Bioeffektoren - das sind Mikroorganismen, wie zum Beispiel Bakterien und Pilze, aber auch bioaktive Substanzen z.B. aus Pflanzen-, Algen- oder Kompostextrakten, die ohne wesentlichen, weiteren Nährstoffeintrag (Düngung) mit der Pflanze interagieren und die Aufnahme von Nährstoffen aus Boden und Dünger unterstützen.

Die Bewertungen solcher Bioeffektoren seien so vielfältig wie die ihnen zugeschriebenen Effekte und reichten von kompletter Wirkungslosigkeit bis hin zu Ertragssteigerungen im zweistelligen Prozentbereich, so apl. Prof. Dr. Neumann. Das weise darauf hin, dass die Wirksamkeit stark von den jeweiligen Anwendungsbedingungen abhängt. „Wir arbeiten hier quasi als Partnervermittlung und suchen nach den Bioeffektor-Düngerkombinationen und den Anwendungsbedingungen mit den besten Erfolgsaussichten.“

Bioeffektoren können Pflanzen gegen Stress stärken

Fünf Jahre lang beschäftigten sich die Hohenheimer Forscher bereits mit dem Einsatz von Bioeffektoren in Kombination mit verschiedenen Düngern, gemeinsam mit 21 europäischen Partner-Universitäten und -Instituten, sowie Düngemittel-Produzenten im EU-Projekt BIOFECTOR. Die Projektbeteiligten testeten verschiedene klimatische und Bodenbedingungen am Beispiel von Tomaten, Mais und Weizen. Insgesamt führten sie mehr als 150 Versuche in 11 Ländern mit 38 verschiedenen Bioeffektor-Produkten durch, mit kommerziellen Produkten und Neuentwicklungen.

In etwa 30 Prozent der über 1.100 getesteten Versuchsvarianten konnte eine wachstumsfördernde Wirkung der Bioeffektoren nachgewiesen werden. Aber je nach Zusammensetzung, Boden, Klima und Pflanzenart gibt es erhebliche Unterschiede in den Auswirkungen. Tomaten reagierten sehr gut auf die Mikroorganismen-Präparate, berichtet apl. Prof. Dr. Neumann. Aber bei Mais und Weizen seien die Effekte oft zu gering und zu inkonsistent, um den wirtschaftlichen Aufwand auszugleichen.

Bioeffektoren können Klimawandelstress ausgleichen

Es gibt aber Ausnahmen: „Unter Stressbedingungen wie Trockenheit, Kälte oder erhöhten Salzgehalten bei der Bewässerung, konnten wir stärkende Effekte erkennen - und zwar besonders bei nichtmikrobiellen Bioeffektoren wie Pflanzen- und Algenextrakten, bei Siliziumpräparaten und bei Kombinationen mit Mikronährstoffen wie Zink und Mangan.“ erläutert apl. Prof. Dr. Neumann.

“So könnten Bioeffektoren zum Beispiel tropische Kulturpflanzen wie Mais, die in hiesigen Breiten oft unter kühlen Frühjahrstemperaturen leiden, aber auch Raps oder Wintergetreide gegen Kältestress stärken: „Normalerweise bereiten sich die letztgenannten Arten im Herbst langsam auf die kommende Kälte vor. Ist der Herbst aber zu warm, bleibt diese Anpassungsphase aus und die Pflanzen sind empfindlicher gegen Frost“, so apl. Prof. Dr. Neumann.

„Bioeffektoren können offensichtlich über Signalfunktionen natürliche Anpassungsreaktionen an Kälte- oder Trockenstress fördern. Die Produzenten werden damit besser gegen klimawandelbedingte Wetterschwankungen abgesichert.“ Das fand bereits in die Praxis Eingang: Der Rapszüchterverbund „Rapool-Ring“ setzt inzwischen standardmäßig Saatgutbehandlungen zur Förderung des Wurzelwachstums und zur Erhöhung der Stresstoleranz ein.

Auf die richtige Kombination kommt es an

Bioeffektoren, so apl. Prof. Dr. Neumann, könnten richtig angewendet sowohl der konventionellen als auch der ökologischen Landwirtschaft zugutekommen. „An der Wurzel platziert können Bioeffektoren den Pflanzen helfen, durch Förderung des Wurzelwachstums oder durch Mobilisierungsprozesse leichter an die Düngernährstoffe heranzukommen und diese effizienter zu nutzen. Dadurch muss weniger Dünger ausgebracht werden.“

Das gelte sowohl für organische als auch für Mineralstoffdünger. Wichtig sei jedoch die Höhe und die Art des Nährstoffangebotes. Bei hoher Nährstoffverfügbarkeit sind bei optimalem Wachstum oft keine zusätzlichen Bioeffektor-Wirkungen zu erwarten, während bei zu niedrigem Nährstoffangebot die Wirtspflanzen häufig so stark gestresst sind, dass sie die Wurzelbesiedelung durch wachstumsfördernde Mikroorganismen nicht mehr ausreichend mit ihren Wurzelabscheidungen unterstützen können.

Auch die Art des Düngerangebotes spielt offenbar eine wichtige Rolle: Bei den organischen Düngern ist ein hoher pflanzenverfügbarer Stickstoffgehalt besonders förderlich für die Interaktion mit Bioeffektoren auf Mikroorganismen-Basis. Bei den Mineraldüngern zeigen sich günstige Wirkungen in Kombination mit Ammonium als Stickstoffquelle, besonders auch bei platzierter Anwendung nahe der Wurzel. „Solche Zusammenhänge müssen für erfolgreiche Anwendungen zukünftig stärker berücksichtigt werden“, betont der Experte.

Einzelpräparate oder Wirkstoff-Mischungen im Vergleich

Auch die Frage, wie und in welcher Zusammensetzung die Präparate am besten an die Pflanzen gebracht werden sollten, steht im Fokus der Forschung. In Kooperation mit einer Herstellerfirma für mineralische Dünger, vergleicht die Universität Hohenheim die Wirksamkeit einer Mischung aus verschiedenen Mikroorganismen und bioaktiven Substanzen, mit Präparaten auf der Basis von einzelnen Organismenarten.

Erste Versuche zeigten, dass beide Varianten erfolgversprechend sein können: Einzel-Wirkstoffe und Cocktails führen beide, beim Tomatenanbau unter geschützten Gewächshausbedingungen zu deutlichen Ertrags- und Qualitätssteigerungen bei organisch gedüngten Tomaten. Einen Vorsprung der Kombi-Präparate konnten die Forscher unter besonderen Bedingungen feststellen: „Tomaten, die von israelischen Projektpartnern in der Negev-Wüste angebaut wurden und dort extremeren Umweltbedingungen wie Hitze, hoher Sonneneinstrahlung und sparsamer Wasserversorgung nur durch Tröpfchenbewässerung ausgesetzt waren, schnitten nach Behandlung mit dem EuroChem-Cocktail besser ab, als mit den Einzelprodukten“, so apl. Prof. Dr. Neumann.

Leicht erhöhter Aufwand, der sich ökonomisch lohnen kann

Neben der Wirksamkeit der Präparate stellt sich auch die Frage nach der Wirtschaftlichkeit. „Der Einsatz der Mittel soll sich ja für die Produzenten auch lohnen“, hebt apl. Prof. Dr. Neumann hervor. Nachdem die anfangs getesteten 32 Produkte auf etwa eine Handvoll Produkte reduziert und unter realistischen Bedingungen im Feld getestet wurden, berechneten Agrarökonomen die Kosten für den Einsatz – mit abermals sehr unterschiedlichem Ergebnis.

Ein Faktor ist die Frage, wie die Präparate den Pflanzen zugeführt werden können. Bei den Tomaten geschieht dies bereits bei der Bewässerung in der Jungpflanzenanzucht in kleinen Töpfen, die unter geschützten Gewächshausbedingungen stattfindet. „Das sind ideale Bedingungen, um Mikroorganismen in ausreichend hoher Zahl, in kleinem Dosierungsvolumen, direkt mit der Wurzel in Kontakt zu bringen und unter optimalen Wachstumsbedingungen die Wurzelbesiedelung zu fördern“, so apl. Prof. Dr. Neumann. „Das erklärt die besonders ausgeprägte Wirksamkeit vieler getesteter Mikroorganismen-Präparate im Tomatenanbau.“

Andere Kulturen, zum Beispiel Weizen, erfordern eine aufwändigere Behandlung unter ungeschützten Bedingungen im Freiland. Hier müssen deutlich größere Bodenbereiche beimpft werden. Außerdem erreichen diese Kulturen nicht den Marktpreis von Gemüse, was die Anwendung mikrobieller Präparate ökonomisch unattraktiver und unzuverlässiger macht. „Hier haben die nichtmikrobiellen Präparate momentan noch klare Vorteile. Sie sind oft preislich günstiger und flexibler in der Anwendung, weil sie im Gegensatz zu den meisten Mikroorganismen zum Beispiel auch über Blattspritzungen wirken.“

Gesetzliche Rahmenbedingungen?

Auch wenn weitere Forschung nötig ist, um effiziente und kostengünstige Anwendungstechniken zu entwickeln, die sich in bestehende Arbeitsabläufe integrieren lassen: Apl. Prof. Dr. Neumann sieht großes Potenzial in den Bioeffektoren. „Solche Präparate müssen kein Nischenprodukt bleiben. Selbst große Firmen wie Bayer und Monsanto zeigen inzwischen Interesse daran. Damit sich die Präparate durchsetzen, braucht es allerdings auch geeignete gesetzliche Rahmenbedingungen.“

Hier könnte sich der oft gleichzeitig wachstums- und gesundheitsfördernde Effekt mancher Bioeffektoren als Nachteil erweisen, befürchtet apl. Prof. Dr. Neumann: „Früher galten solche Stoffe in Deutschland als sogenannte Pflanzenstärkungsmittel mit einem vereinfachten Zulassungsverfahren. Nun will die EU aber solche Regelungen vereinheitlichen." Sollte sie Bioeffektoren aufgrund der gesundheitsfördernden Wirkung als Pflanzenschutzmittel einstufen, mache das die Anmeldung neuer Stoffe teuer und aufwändig – und damit besonders für kleinere Firmen unattraktiv. „So können möglicherweise wertvolle Präparate verlorengehen, die sonst die Grundlage zur Entwicklung von Alternativen zu chemischen Pflanzenschutzmitteln bieten könnten“

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