Über das europäische Klimagesetz und die europäische Nitratrichtlinie ist viel geschrieben worden. Neben sozialen Belangen stellt die drastische Reduzierung der Treibhausgasemissionen bis 2030 und die strukturelle Reduzierung des Stickstoffeinsatzes in der Landwirtschaft große Herausforderungen dar. Forscher des VIB-UGent-Zentrums für Pflanzensystembiologie präsentieren nun konkrete Forschungsergebnisse zur Senkung des Stickstoffverbrauchs durch gezielte Bekämpfung von Mikroorganismen im Boden.
Ihre Ergebnisse wurden in Fachzeitschriften veröffentlicht Grenzen der Pflanzenwissenschaft, Trends in der Mikrobiologie und das Zeitschrift für Umweltmanagement.
Stickstoff und das Bodenmikrobiom
Pflanzen benötigen zum Wachstum Stickstoff im Boden. Allerdings konkurrieren diese Pflanzen mit bestimmten Bakterien und Archaeen, zwei Arten von Mikroorganismen, die ebenfalls in der Lage sind, Stickstoff im Boden zu nutzen. Diese Mikroorganismen wandeln Stickstoff – in Form von Ammoniak – durch einen Prozess namens Nitrifikation in Nitrite und Nitrate um.
Diese Nitrite und Nitrate gelangen in den Boden, ins Grundwasser und in Freizeitgewässer, wodurch sie für landwirtschaftliche Nutzpflanzen unbrauchbar werden und sich negativ auf die Artenvielfalt und Wasserqualität auswirken. Darüber hinaus können Nitrate in das starke Treibhausgas Lachgas oder Lachgas umgewandelt werden. Landwirte düngen häufig übermäßig, um sicherzustellen, dass ihre Pflanzen genügend Stickstoff haben, was negative Folgen für die Artenvielfalt und die Umwelt hat.
Nitrifikation stoppen
Die Suche nach Substanzen, die die Nitrifikation durch Mikroorganismen blockieren (sogenannte Nitrifikationshemmer), ist der Schlüssel zu einer effizienteren Stickstoffnutzung in der Landwirtschaft. Wenn diese mikroskopisch kleinen Bodenorganismen weniger Stickstoff verbrauchen, steht den Pflanzen mehr zur Verfügung, wodurch der Bedarf an Düngung sinkt. Frühere Forschungen konzentrierten sich stark auf Bodenbakterien und vernachlässigten Archaeen. Forscher des VIB-UGent Center for Plant Systems Biology bringen nun Licht ins Dunkel dieser mysteriösen Mikroorganismen und vervollständigen das Bild.
„Die Bedeutung dieser Archaeen für den Stickstoffverbrauch im Boden wurde lange ignoriert. Aktuelle kommerzielle Hemmstoffe gegen Bakterien sind nicht nur begrenzt, sie sind auch gegen Archaeen unwirksam. Um die Effizienz der Nitrifikationshemmung zu erhöhen, haben wir nach Nitrifikationshemmern gegen Archaeen gesucht.“ sagt Dr. Fabian Beeckman, Postdoktorand am Beeckman-Labor (VIB-UGent).
Die Forschungsgruppe entwickelte zwei Testmethoden zur Identifizierung von Nitrifikationshemmern in Archaeen und untersuchte knapp 50.000 Moleküle auf ihren funktionellen Nutzen.
„Wir haben nicht nur Nitrifikationsinhibitoren für Archaeen beschrieben, sondern auch gezeigt, dass eine Kombination von Inhibitoren gegen Bakterien und Archaeen die besten Ergebnisse liefert“, sagt Dr. Hans Motte, Projektkoordinator. „Dieses Ergebnis ist sehr vielversprechend. Wir verfügen nun über die Werkzeuge, um die besten Inhibitoren zu finden und zu kombinieren und so den Stickstoffverbrauch in der Landwirtschaft wirklich zu reduzieren.“
Eine nachhaltige Zukunft
Ein effizientes Stickstoffmanagement ist ein Ziel, das im europäischen Klimagesetz und der europäischen Nitratrichtlinie verankert ist. In diesem Zusammenhang gehen die Forscher einen Schritt weiter in Richtung Nachhaltigkeit.
„Derzeit sind alle Nitrifikationshemmer synthetische Moleküle“, sagt Professor Tom Beeckman, Gruppenleiter des Beeckman-Labors. „Mit unseren neuen Testmethoden können wir nun nach natürlichen Molekülen suchen, die auch als Nitrifikationshemmer dienen können. Im nächsten Schritt können wir uns sogar Pflanzen ansehen, die diese Produkte selbst produzieren und im Boden ausscheiden. Das öffnet die Tür zu mehr.“ effizienter ökologischer Landbau und nachhaltige Agrarsysteme.“
Mehr Informationen:
Fabian Beeckman et al., Hochdurchsatztests zur Identifizierung von auf Archaeen gerichteten Nitrifikationsinhibitoren, Grenzen der Pflanzenwissenschaft (2024). DOI: 10.3389/fpls.2023.1283047
Fabian Beeckman et al., Verbesserung des Stickstoffmanagements im Agrarökosystem: mikrobielle Erkenntnisse für eine verbesserte Hemmung der Nitrifikation, Trends in der Mikrobiologie (2023). DOI: 10.1016/j.tim.2023.10.009
Fabian Beeckman et al.: Ein auf der Wirkstoffentdeckung basierender Ansatz identifiziert neue Nitrifikationsinhibitoren. Zeitschrift für Umweltmanagement (2023). DOI: 10.1016/j.jenvman.2023.118996