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Bessere Nährstoffausnutzung Weniger düngen: Bioeffektoren könnten Düngemittel-Einsatz verbessern

Autor / Redakteur: Dorothee Barsch & Dr. Dorothea Elsner* / Dr. Ilka Ottleben

Mineralische Dünger haben keinen guten Ruf, nicht zuletzt weil aus überdüngten Feldern ausgewaschene Nährstoffe in Form von Nitrat oder Phosphat Grundwasser und Oberflächengewässer belasten oder zu klimaschädlichen Gasen und Feinstaub werden. Was viele nicht wissen: Auch Bio-Dünger sind in dieser Hinsicht nicht unproblematisch. Können so genannte Bioeffektoren Pflanzen bei der Nährstoffaufnahme helfen und sie toleranter gegen Stress machen? Das haben Stuttgarter Forscher gemeinsam mit internationalen Kollegen nun untersucht.

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Problem Überdüngung: Gelangt mehr Gülle oder mineralischer Dünger auf die Felder, als die Pflanzen zum Wachsen benötigen oder aufnehmen können, bleibt Stickstoff im Boden zurück. Umgewandelt zu Nitrat kann er ins Grundwasser sickern oder in Oberflächengewässer ausschwemmen und hier zum Problem werden. (Symbolbild)
Problem Überdüngung: Gelangt mehr Gülle oder mineralischer Dünger auf die Felder, als die Pflanzen zum Wachsen benötigen oder aufnehmen können, bleibt Stickstoff im Boden zurück. Umgewandelt zu Nitrat kann er ins Grundwasser sickern oder in Oberflächengewässer ausschwemmen und hier zum Problem werden. (Symbolbild)
(Bild: gemeinfrei)

Stuttgart – Pflanzen benötigen Nährstoffe für Wachstum und Gesundheit – doch die aktuell verwendeten mineralischen Dünger stehen zunehmend in der Kritik: Die klassische Gewinnung von Stickstoff für die Düngerproduktion aus der Luft ist so energieaufwändig, dass dafür mittlerweile zwei Prozent des weltweiten Energieverbrauchs nötig sind. Hinzu kommt: Selbst gut entwickelte Pflanzenwurzeln erreichen oft nur einen Bruchteil der zugedüngten Nährstoffe im Boden. Stressfaktoren können das Wurzelwachstum und die Nährstoffaufnahme zusätzlich beeinträchtigen. Nicht verwertete Nährstoffe können ausgewaschen werden und ökologische Probleme verursachen. Das so genannte Nitratproblem ist hier nur ein Beispiel: Nicht aufgenommener Stickstoff im Dünger kann in Form von Nitrat ausgewaschen werden, Oberflächengewässer überdüngen, das Grundwasser verunreinigen oder in Form von Stickoxiden und Ammoniak in die Atmosphäre gelangen.

Kulturpflanzen können meist weniger als 30 Prozent des zugedüngten Phosphats aufnehmen

Auch die Zugabe des für das Pflanzenwachstum notwendigen Phosphats in Form von Mineralsalzen ist nicht unproblematisch: Es handelt sich – ähnlich wie beim Mineralöl – um einen begrenzten natürlichen Rohstoff. 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 festgelegt. Kulturpflanzen können während einer Vegetationsperiode daher meist weniger als 30 Prozent des zugedüngten Phosphats aufnehmen. Durch Abschwemmung können Phosphate in Oberflächengewässer geraten, wo sie zur Überdüngung beitragen und als Sedimente in den Ozeanen schließlich unwiederbringlich verlorengehen.

Auch Bio-Dünger sind nicht unproblematisch

Lösungsansätze für diese Probleme gibt es: Alternativen auf Recycling-Basis. Kompostierter Haushaltsabfall und Produkte aus der Abwasseraufbereitung, Aschen, Stallmist, Gülle, Abfallstoffe aus der Tierverwertung und Gärrückstände aus Biogasanlagen sind nur einige Beispiele für diese Düngerarten.

„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 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.

Bioeffektoren können Düngerausnutzung verbessern

Auf gesetzlicher Ebene wird mit Hilfe der Düngeverordnung versucht, unerwünschte Nährstoffausträge in die Umwelt zu begrenzen. An der Entwicklung von Strategien zu einer verbesserten Ausnutzung von Düngemitteln setzen dagegen verschiedene Forschungsprojekte an, an denen das Team um apl. Prof. Dr. Neumann beteiligt ist. Der gemeinsame Forschungsansatz: Bioeffektoren – das sind Mikroorganismen wie Bakterien und Pilze, aber auch bioaktive Substanzen z.B. aus Pflanzen-, Algen- oder Kompostextrakten – die ohne wesentlichen zusätzlichen Nährstoffeintrag 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.“

Fünf Jahre lang beschäftigten sich die Hohenheimer Forscher dazu gemeinsam mit 21 europäischen Partner-Universitäten und -Instituten sowie Düngemittel-Produzenten im EU-Projekt BIOFECTOR mit dem Einsatz von Bioeffektoren in Kombination mit verschiedenen Düngern. 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 ebenso wie mit Neuentwicklungen.

Wie sich mithilfe von Bioeffektoren Düngemittel einsparen lassen, erklärt apl. Prof. Dr. Neumann in diesem Video ((c) BIOFECTOR / Universität Hohenheim):

Das Ergebnis: In etwa 30 Prozent der über 1.100 getesteten Versuchsvarianten konnte eine wachstumsstimulierende Wirkung der Bioeffektoren nachgewiesen werden – aber je nach Zusammensetzung, Boden, Klima und Pflanzenart gibt es erhebliche Unterschiede. Tomaten zum Beispiel hätten sehr gut auf die Mikroorganismen-Präparate reagiert, berichtet apl. Prof. Dr. Neumann.

Bioeffektoren stärken Pflanzen gegen Stress

Bei Mais und Weizen seien die Effekte oft zu gering und zu variabel, um den wirtschaftlichen Aufwand zu entschädigen. Mit einigen Ausnahmen: „Unter Stressbedingungen wie Trockenheit, Kälte oder erhöhten Salzgehalten bei der Bewässerung konnten wir stärkende Effekte erkennen“, so apl. Prof. Dr. Neumann, „und zwar besonders bei nichtmikrobiellen Bioeffektoren wie Pflanzen- und Algenextrakten, bei Siliziumpräparaten und bei Kombinationen mit Mikronährstoffen wie Zink und Mangan.“

Weniger Schäden durch Klimawandel

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“, erläutert apl. Prof. Dr. Neumann.

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

Die Kombination macht's: Wie konventionelle und ökologische Landwirtschaft profitieren können

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-Cocktails 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 der Firma EuroChem Agro, die Mineraldünger herstellt, vergleicht die Universität Hohenheim die Wirksamkeit eines Cocktails aus verschiedenen Mikroorganismen und bioaktiven Substanzen mit Präparaten auf der Basis von einzelnen Organismenarten.

Bioeffektoren können bei Tomaten zu deutlichen Ertragssteigerungen führen.
Bioeffektoren können bei Tomaten zu deutlichen Ertragssteigerungen führen.
(Bild: Universität Hohenheim / Astrid Untermann)

Erste Versuche zeigten, dass beide Varianten erfolgversprechend sein können: Einzel-Wirkstoffe und Cocktails führen beim Tomatenanbau unter geschützten Gewächshausbedingungen zu deutlichen Ertragssteigerungen bei organisch gedüngten Tomaten. Gleichzeitig erhöht sich auch die Qualität der Früchte.

Einen Vorsprung des Cocktails konnten die Forscher jedoch unter besonderen Bedingungen ausmachen: „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 wie 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.“

Günstige gesetzliche Rahmenbedingungen nötig

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, machte 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“, warnt apl. Prof. Dr. Neumann.

Hintergrund: Die Projekte

Das Vorhaben BIOFECTOR (“Resource preservation by application of bio-effectors in European crop production”) startete am 1.9.2012 und fand am 31.8.2017 seinen Abschluss. Die Europäische Union förderte das Projekt in ihrem 7. Forschungsrahmenprogramm mit insgesamt 5.999.821 Euro. Die wissenschaftliche Koordination lag in der Hand der Universität Hohenheim.

Im Verbundprojekt DiControl („Auswirkungen des pflanzenbaulichen Managements sowie der Anwendung mikrobieller Biokontrollstämme auf Bodengesundheit und Suppressivität gegenüber Pathogenen im Rahmen einer nachhaltigen Pflanzenproduktion“) geht es ebenfalls um Bioeffektoren im Pflanzenschutz und ihre Wechselwirkungen mit den Gemeinschaften von Bodenmikroorganismen in verschiedenen Anbausystemen. Im Rahmen der Förderinitiative BonaRes fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) die Arbeitsgruppe von apl. Prof. Dr. Neumann hier bereits in der zweiten Projektphase seit Oktober 2018 mit rund 319.200 Euro zunächst für weitere drei Jahre bis Ende September 2021. Die Koordination obliegt dem Leibniz-Institut für Gemüse- und Zierpflanzenbau (IGZ).

Das Projekt „Microbial Consortia as Inoculants for Improved Crop Performance“ ist ebenfalls ein Schwergewicht der Forschung an der Universität Hohenheim. Es läuft seit 1.3.2016 und wird am 28.2.2019 beendet. Die Firma EuroChem Agro fördert das Vorhaben mit 262.228 Euro.

Insbesondere, die Schutzwirkungen von Bioeffektoren bei Trockenstress werden im Rahmen des 2017 gestarteten EU-geförderten Folgeprojektes SolACE („Solutions for improving Agroeco-system and Crop Efficiency for water and nutrient use“) von 25 Partnern in 14 Ländern weiter untersucht. Koordiniert wird es vom französischen Institut National de la Recherche Agronomique INRA.

Im Dezember 2018 wurde außerdem der Vorantrag für das Verbundprojekt WHEALTH im Rahmen des EU-BiodivERsA-Programmes genehmigt, das in Simulationsversuchen die Auswirkungen des Klimawandels auf pflanzenwachstumsfördernde Mikroorganismengemeinschaften in Böden untersuchen und Anbaumaßnahmen zu deren Förderung entwickeln möchte.

* D. Barsch & Dr. D. Elsner: Universität Hohenheim,70599 Stuttgart

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