Bioeffektoren könnten die Landwirtschaft umweltfreundlicher machen

Wege aus dem Dünger-Dilemma gesucht

Pflanzenkeimling
Ein Dilemma: unsere Nutzpflanzen benötigen Nährstoffe, aber die Düngung erzeugt viele Umweltprobleme. © Baks/ iStock

Das Problem ist klar: Auf unseren Feldern und Äckern werden zu viel Dünger und Gülle ausgebracht. Die Folge sind überdüngte Gewässer, verunreinigtes Grundwasser und andere Umweltschäden. Doch ganz ohne Dünger geht es auch nicht, wenn man hohe Erträge möchte. Eine mögliche Lösung für dieses Dilemma könnten Wissenschaftler nun gefunden haben.

Das Konzept: Man nutzt bestimmte Mikroorganismen und bioaktive Substanzen, um die Nährstoffaufnahme der Pflanzenwurzeln zu verstärken. Durch solche Bioeffektoren können die Pflanzen den vorhandenen Dünger besser ausnutzen. Als Folge müssen die Bauern weniger düngen, erreichen aber trotzdem hohe Erträge. Gleichzeitig bleibt im Boden weniger ungenutzter Dünger übrig, der Gewässer und Grundwasser belasten könnte.

Was wie eine geniale Patentlösung klingt, ist allerdings in der Praxis ziemlich komplex. Denn wie gut ein Bioeffektor wirkt, hängt von vielen Faktoren und Wechselwirkungen ab. Wissenschaftler der Universität Hohenheim erforschen diese Wirkung deshalb im Rahmen eines EU-Projekts – mit vielversprechenden Ergebnissen.

Quelle: Universität Hohenheim/ NPO

Mineraldünger und seine Folgen

Das Dünge-Problem

Auch Pflanzen benötigen Nährstoffe für Wachstum und Gesundheit – vor allem Stickstoff und Phosphat gehören dabei zu den für das Pflanzenwachstum wichtigen Faktoren. Um stabile Erträge zu sichern und die Nährstoffe zu ersetzen, die mit der Ernte entnommen werden, gibt die Landwirtschaft diese beiden Stoffe in Form von Düngern aufs Feld.

Düngung
Ausbringungen von Dünger auf einem Feld. © RAUCH Landmaschinenfabrik GmbH / CC-by-sa 3.0

Zu viel des Guten

Doch die gängige Düngepraxis bringt zunehmend Probleme. So können selbst gut wachsende Pflanzen oft nur einen Teil der zugedüngten Nährstoffe aufnehmen – beim Phosphat sind es in einer Vegetationsperiode meist weniger als 30 Prozent. Und auch vom Nitrat gelangt vielerorts durch Düngemittel und Gülle mehr aufs Feld als die Nutzpflanzen aufnehmen können.

Die Folge: Nicht aufgenommener Stickstoff wird in Form von Nitrat ausgewaschen und zum Teil in Entwässerungskanäle, Flüsse und Seen geschwemmt. Gemeinsam mit dem ebenfalls eingeschwemmten Phosphat verursacht er eine Eutrophierung der Gewässer – mit teils fatalen Folgen für deren Lebenswelt. Ein anderer Teil des Nährstoff-Überschusses versickert mit dem Regenwasser und gelangt ins Grundwasser. An vielen Messstellen in Deutschland liegen die Nitratwerte dadurch schon seit Jahren über den EU-Grenzwerten.

Aufwendige Produktion

Aber auch die Herstellung der klassischen Mineraldünger ist ökologisch gesehen nicht unproblematisch: Seitdem die natürlichen Vorkommen von Kalisalpeter und Natronsalpeter weitgehend erschöpft sind, wird mineralischer Stickstoffdünger vorwiegend chemisch synthetisiert. Durch das Haber-Bosch-Verfahren wird der Luftstickstoff mithilfe von Wasserstoff in Ammoniak umgewandelt und dann zu Ammoniumdünger weiterverarbeitet. Dieses Verfahren ist jedoch so
energieaufwendig, dass es mittlerweile zwei Prozent des weltweiten Energieverbrauchs ausmacht.

Beim Phosphat wurden lange Zeit Guano und das Phosphormineral Nauruit als Rohstoff für die Düngerproduktion verwendet. Doch weil die Nachfrage immer weiter steigt, werden die natürlichen Phosphor-Ressourcen zunehmend knapp. Rund 40 Millionen Phosphatdünger pro Jahr werden weltweit auf Feldern ausgebracht – und bis 2050 könnte der Bedarf nach Schätzungen der EU-Kommission noch einmal um 50 Prozent steigen.

Was sind die Alternativen zum Mineraldünger?

Biologische Helfer

Weil der Nachschub für mineralische Dünger knapp und aufwendig herzustellen ist, sind Alternativen gefragt. Erste Lösungsansätze sind Alternativen auf Recycling-Basis. Zu diesen gehören kompostierter Haushaltsabfall, Aufbereitete Rückstände aus dem Abwasser, Aschen, Stallmist, Gülle, Abfallstoffe aus der Tierverwertung und Gärrückstände aus Biogasanlagen.

Klärschlamm
Getrockneter Klärschlamm kann als Dünger dienen. © Horst Bingemer/ iStock

Keine einfache Alternative

„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 der Pflanzenphysiologe Günter Neumann von der Universität Hohenheim. „Sie werden durch die Aktivität von Bodenorganismen erst langsam freigesetzt und können auch pflanzenschädliche Nebenwirkungen entwickeln.“

Es ist daher noch schwieriger als bei Mineraldüngern, die Düngung an den Bedarf während der Pflanzenentwicklung anzupassen. Auch das Risiko von Nährstoffverlusten ist groß. Dazu kommt, dass die lokal anfallenden Mengen solcher Recyclingprodukte den Bedarf in der Landwirtschaft unterschreiten, aber auch deutlich überschreiten können, was sich am Beispiel der mit der Gülleausbringung verbundenen Probleme eindrücklich zeigt.

Hinzu kommt, dass Dünger aus recycelten Abfällen unerwünschte Schadstoffe aufs Feld bringen können. Gerade im Klärschlamm wurden schon häufiger erhöhte Konzentrationen von Schwermetallen oder organischen Schadstoffen wie Organozinn oder Mineralölrückständen nachgewiesen.

Mikroben und Extrakte als biologische Helfer

Einen anderen Ansatz verfolgen deshalb Günter Neumann und sein Team. Sie setzen auf sogenannte Bioeffektoren. Dies sind Mikroorganismen wie zum Beispiel Bakterien und Pilze, aber auch bioaktive Substanzen aus organischen Extrakten, die die Pflanze bei der Aufnahme von Nährstoffen aus Boden und Dünger unterstützen.

Wurzelknöllchen
Von symbiontischen Bakterien verursachte Wurzelknöllchen der Zaunwicke – durch sie kann die Pflanze Stickstoff binden. © Frank Vincentz / CC-by-sa 3.0

In der Natur geschieht dies beispielsweise über die Knöllchenbakterien an den Wurzeln der Hülsenfrüchte: Sie helfen den Pflanzen bei der Aufnahme von Stickstoff. Bisher allerdings sind diese mikrobiellen Helfer wählerisch: Die Wurzeln anderer Nutzpflanzen wie Getreide oder Mais besiedeln sie nicht. Deshalb muss man für diese Pflanzen auf andere Mikroben und bioaktive Substanzen zurückgreifen, die eine ähnlich wachstumsfördernde Wirkung entfalten – die Bioeffektoren.

Der große Vorteil: Weil die Pflanze die vorhandenen Ressourcen effektiver nutzt, wird weniger zusätzlicher Dünger benötigt. „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“, erklärt Neumann. „Dadurch muss weniger Dünger ausgebracht werden.“ Das gelte sowohl für organische als auch für Mineralstoffdünger.

Ein komplexes Zusammenspiel mit Dünger und Pflanze

Die Kombination machts

Mit weniger Dünger trotzdem höherer Erträge bekommen – das könnten künftig Bioeffektoren ermöglichen. Die biologischen Helfer würden so das Nachschubproblem beim Mineraldünger mindern und gleichzeitig Boden und Grundwasser vor der Überdüngung bewahren – wenn sie richtig angewendet werden.

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Durch Bioeffektoren sollen Landwirte künftig weniger Dünger benötigen. © Weerapatkiatdumrong/ iStock

„Partnervermittlung“ für Dünger und Bioeffektoren

Denn wie gut ein Bioeffektor wirkt und mit welchem Dünger sein Effekt am stärksten ist, kann ganz unterschiedlich sein. Die Spanne reicht von kompletter Wirkungslosigkeit bis hin zu Ertragssteigerungen im zweistelligen Prozentbereich. „Wir arbeiten hier quasi als Partnervermittlung und suchen nach den Bioeffektor-Düngerkombinationen und den Anwendungsbedingungen mit den besten Erfolgsaussichten“, erklärt Günter Neumann.

Fünf Jahre lang beschäftigten sich die Hohenheimer Forscher im EU-Projekt BIOFECTOR mit dem Einsatz von Bioeffektoren in Kombination mit verschiedenen Düngern. Die Projektbeteiligten testeten verschiedene Klima- 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 ebenso wie mit Neuentwicklungen.

Auf die Pflanzenart und den Dünger kommt es an

Das Ergebnis: Bei rund 30 Prozent der Versuchsvarianten wirkten die Bioeffektoren tatsächlich wachstumsstimulierend – aber je nach Zusammensetzung, Boden, Klima und Pflanzenart gab es erhebliche Unterschiede. So reagierten beispielsweise Tomaten sehr gut auf die Mikroorganismen-Präparate. Bei Mais und Weizen waren die Effekte dagegen oft zu gering und zu variabel, um den Aufwand auszugleichen.

Ein weiterer Faktor ist die Art des Düngerangebotes: Bei den organischen Düngern scheint ein hoher pflanzenverfügbarer Stickstoffgehalt die Interaktion mit mikrobiellen Bioeffektoren besonders zu fördern, wie die Forscher herausfanden. Bei den Mineraldüngern zeigen sich günstige Wirkungen in Kombination mit Ammonium als Stickstoffquelle, besonders wenn dieses nahe der Wurzel platziert wurde. „Solche Zusammenhänge müssen für erfolgreiche Anwendungen zukünftig stärker berücksichtigt werden“, betont Neumann.

Zwischen zu viel und zu wenig

Doch auch die Höhe und Art des Nährstoffangebotes spielt eine wichtige Rolle. Denn wenn schon reichlich Nährstoffe im Boden vorhanden sind, wachsen die meisten Pflanzen ohnehin optimal – die Bioeffektoren bringen dann keinen zusätzlichen Nutzen. Sind dagegen die Böden so ausgelaugt, dass kaum mehr Nährstoffe verfügbar sind, können viele Pflanzen auch nicht mehr von den biologischen Helfern profitieren. Denn sie sind dann so stark gestresst, dass sie die Wurzelbesiedelung durch wachstumsfördernde Mikroorganismen oft nicht mehr ausreichend unterstützen können.

Allerdings gibt es Ausnahmen, bei denen die Zugabe des richtigen Bioeffektors den pflanzlichen Stress sogar mildern und ausgleichen kann. So können nichtmikrobielle Bioeffektoren wie Pflanzen- und Algenextrakte, Siliziumpräparate oder Mikronährstoffe wie Zink und Mangan Pflanzen stärken, die durch Kälte, Trockenheit oder Salz gestresst sind.

„Bioeffektoren können offensichtlich über Signalfunktionen natürliche Anpassungsreaktionen an Kälte- oder Trockenstress stimulieren“, erklärt Neumann. „Die Produzenten werden damit besser gegen klimawandelbedingte Wetterschwankungen abgesichert.“ Praktisch könnten solche Zusatzmittel daher Nutzpflanzen wie Raps, Mais oder Wintergetreide im Winter und Frühjahr gegen Frost schützen.

Bioeffektoren im praktischen Einsatz

Komplex, aber mit Potenzial

Ob Mikroben oder andere bioaktive Präparate: Wie gut ein Bioeffektor das Pflanzenwachstum fördert, hängt auch vom richtigen Einsatz ab. Denn viele wirken nur dann, wenn sie an der richtigen Stelle und in der richtigen Kombination an die Pflanze gebracht werden. Doch so komplex und individuell die Wirkung dieser Mittel ist – nach Ansicht der Forscher haben sie ein enormes Potenzial.

Tomaten
Bei Tomaten entscheidet die Anbauweise, welche Bioeffektoren wirksamer sind. © Universität Hohenheim / Astrid Untermann

Auf den Standort kommt es an

Wie die Wissenschaftler um Günter Neumann herausgefunden haben, lassen sich nicht alle Pflanzen über einen Kamm scheren – und sogar je nach Standort und Anbauweise gibt es deutliche Unterschiede. Beim Tomatenanbau unter geschützten Gewächshausbedingungen reagierten die Pflanzen beispielsweise gleich gut auf Einzel-Wirkstoffe oder aber Cocktails aus mehreren Bioeffektoren. In beiden Fällen gab es bei den organisch gedüngten Tomaten deutliche Ertragssteigerungen und eine verbesserte Qualität der Früchte.

Anders war dies bei Tomaten, die unter ganz anderen Bedingungen wuchsen: „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“, berichtet Neumann.

In den Topf oder aufs Feld?

Und noch etwas gilt es in der Praxis zu beachten: Je nach Nutzpflanzenart und Anbaumethode lassen sich die Bioeffektoren nicht immer einfach an ihren Wirkungsort bringen – die Pflanzenwurzel. Bei vielen im Gewächshaus vorgezogenen Gemüsen wie Tomaten ist das relativ einfach: Die Mikroben oder organischen Substanzen werden in die Töpfe der Jungpflanzen gegeben. „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“, sagt Neumann.

Weizen
Beim Weizen ist der Bedarf an Bioeffektoren größer. © 751/ iStock

Andere Kulturen, zum Beispiel Weizen, keimen und wachsen jedoch ungeschützt im Freiland. Das erfordert eine aufwändigere Behandlung, denn hier müssen deutlich größere Bodenbereiche mit den Bioeffektoren beimpft werden. „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“, erklärt der Hohenheimer Pflanzenphysiologe.

„Großes Potenzial“

Damit scheint klar: Der Einsatz von Bioeffektoren und ihre Wirkung beruhen auf komplexen Wechselwirkungen. Dennoch sehen die in den Mikroben und anderen bioaktive Substanzen ein großes Potenzial. Denn die Bioeffektoren könnten das Pflanzenwachstum auf natürliche Weise fördern und gleichzeitig den Düngebedarf senken. „Solche Präparate müssen kein Nischenprodukt bleiben. Selbst große Firmen wie Bayer und Monsanto zeigen inzwischen Interesse daran“, sagt Neumann.

Die Wissenschaftler wollen deshalb weiter daran arbeiten, effiziente und kostengünstige Anwendungstechniken zu entwickeln, die sich in bestehende Arbeitsabläufe integrieren lassen. „Der Einsatz der Mittel soll sich ja für die Produzenten auch lohnen“, hebt Neumann hervor. „Damit sich die Präparate durchsetzen, braucht es allerdings auch geeignete gesetzliche Rahmenbedingungen.“ Früher galten solche Stoffe in Deutschland als Pflanzenstärkungsmittel mit einem vereinfachten Zulassungsverfahren. Jetzt jedoch will die EU die Richtlinien vereinheitlichen – und könnte die Bioeffektoren als Pflanzenschutzmittel einstufen.

Das jedoch würde die Anmeldung neuer Stoffe teuer und aufwändig machen – 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“, warnt der Pflanzenphysiologe.