Pflanzen düngen sich selbst
Künstlicher Stickstoffdünger belastet das Grundwasser stark, seine Herstellung schluckt immense Mengen Energie. Weltweit suchen Forscher daher nach neuen Wegen. Und sie werden fündig.
(Bild: "Root hairs of soy" / Ihor Panas / cc-by-sa-4.0)
- Katja Scherer
97 Kilogramm pro Hektar – so viel überschüssiges Nitrat wird laut Umweltbundesamt jährlich auf deutsche Äcker aufgebracht. Die Folge sind verunreinigtes Grundwasser und überdüngte Seen. Trotz aller Verordnungen und Gesetze scheint derzeit keine Verbesserung in Sicht. Denn für Landwirte ist es schwer, die Menge exakt zu dosieren. Andererseits benötigt die Produktion insbesondere von Stickstoffdünger gewaltige Mengen fossiler Rohstoffe.
Kunstdünger schädigt die Umwelt
Nach Zahlen des Industrieverbands Agrar braucht man 0,6 Kilogramm Erdgas zur Herstellung von einem Kilogramm Stickstoff in Form von Ammoniak oder Ammoniumnitrat. Wer also die wachsende Bevölkerung auch im Jahr 2050 noch ernähren will, sollte andere Wege finden. Deshalb forschen Biologen und Ingenieure aus aller Welt an Alternativen. Sie wollen Nutzpflanzen erschaffen, die ihren Stickstoffdünger gewissermaßen selbst erzeugen.
Das chemische Element macht 78 Prozent unserer Atemluft aus und ist für das Pflanzenwachstum elementar. Stickstoff kommt in gebundener Form auch im Boden vor, wo ihn die Pflanzen über ihre Wurzeln aufnehmen. In einem geschlossenen Ökosystem funktioniere dieser Kreislauf, sagt Barbara Reinhold-Hurek, Mikrobiologin von der Universität Bremen. Etwa im unberührten Dschungel: "Wenn dort Pflanzen sterben, bildet sich aus ihren Resten neuer Stickstoff im Boden, den andere Pflanzen wiederum nutzen können." Auf einem Acker dagegen, wo Pflanzen abgeerntet werden, wird dieser Kreislauf unterbrochen.
Stickstoff aus der Luft gewinnen
Könnten die Pflanzen jedoch Stickstoff aus dem schier unendlichen Reservoir der Luft gewinnen, ließe er sich wieder in Gang setzen. Zum Vorbild nehmen sich die Forscher zum Beispiel Leguminosen – also Pflanzen wie Soja, Klee und Erbsen. Sie können in Symbiose mit sogenannten Knöllchenbakterien Stickstoff aus der Luft binden und für ihr Wachstum nutzen. Zudem versorgen sie nicht nur sich selbst, sondern bewirken sogar, dass auch der Boden um sie herum angereichert wird.
Lange gingen Forscher davon aus, dass Leguminosen spezielle Gene für die Stickstofffixierung besitzen. Mit der Zeit stellten sie jedoch fest, dass die meisten anderen Pflanzen ebenfalls über die Grundlagen für den Prozess verfügen, obwohl er bei ihnen nicht zum Einsatz kommt. Seither ist unter Wissenschaftlern ein Wettstreit entbrannt, wer es zuerst schafft, Nicht-Leguminosen zur Fixierung von Stickstoff zu bewegen.
Mit von der Partie ist Barbara Reinhold-Hurek. Bereits zu Beginn des Jahrtausends entschlüsselte sie das Genom eines stickstofffixierenden Bakteriums. Seither versucht sie, durch gezieltes Ein- und Ausschalten verschiedener Gene herauszufinden, welche genau für die Stickstoffbindung verantwortlich sind. Ihr Ziel ist es, diese Fähigkeit auf Nicht-Leguminosen wie Reis zu übertragen – entweder durch klassische Züchtung oder indem sie die zuständigen Gene gezielt in Kulturpflanzen einbringt. Noch liegt dieses Ziel allerdings in weiter Ferne.
Gene für die Stickstoffbindung
Das Bostoner Unternehmen Ginkgo Bioworks entschied sich daher für einen anderen Weg. Gemeinsam mit dem Agrarkonzern Bayer arbeite es daran, die stickstoffbindenden Fähigkeiten der Leguminosen auf andere Pflanzen zu übertragen. Allerdings setzen die Partner nicht bei den Pflanzen an, sondern bei den Knöllchenbakterien selbst. Diese wollen sie genetisch so verändern, dass sie auch mit Nicht-Leguminosen wie Gemüse, Reis und Weizen zusammenarbeiten können. "Wir müssen das pflanzliche Mikrobiom nutzen, um eine nachhaltige Landwirtschaft zu erreichen", sagt Axel Bouchon, Leiter des Bayer-Innovationszweigs Leaps. "Das könnte uns in Sachen Pflanzenwachstum zu einem Sprung nach vorn verhelfen, weil wir Stickstoffdünger direkt in der Pflanze produzieren."
Mit diesem Plan vor Augen gründeten Bayer und Ginkgo Bioworks im vorigen Herbst ihr gemeinsames Start-up Joyn Bio. Mike Miille, Geschäftsführer des neuen Unternehmens mit Sitz in Boston und West Sacramento, stehen 100 Millionen Dollar Startkapital zur Verfügung. Außerdem kann das Start-up auf die Ressourcen der Mütter zurückgreifen. So verfügt Ginkgo Bioworks durch einen Vertrag mit einem Spezialisten stets über synthetisch hergestellte DNA in großen Mengen. Bayer steuert die firmeneigenen 100.000 Mikrobenstämme und sein Wissen über deren Einsatz in der Landwirtschaft bei.
Genmodifizierte Bakterien freisetzen
Zunächst will Joyn Bio den Mikrobenbestand mithilfe des von Ginkgo entwickelten Hochdurchsatzverfahrens nach vielversprechenden Kandidaten durchsuchen. Miille hofft, in fünf Jahren die ersten Organismen im Freiland testen zu können.
Doch schon jetzt ist abzusehen, dass die Freisetzung der genetisch veränderten Mikroben Proteste nach sich ziehen wird. Selbst Leguminose-Expertin Reinhold-Hurek hat Bedenken: "Bakterien vermehren und verändern sich sehr schnell. Wenn wir anfangen, genmodifizierte Bakterien in der Umwelt zu verbreiten, kann das keiner mehr kontrollieren."
Allerdings ist eine Variante denkbar, die diesen Nachteil geschickt umgeht. Da man ohnehin Bakterien für die Gewinnung von Stickstoff benötigt – warum den Dünger dann überhaupt auf dem Acker herstellen? Und nicht gleich in einer geschützten Biotech-Anlage? Kürzlich zeigte Kelsey Sakimoto im renommierten Fachjournal "Proceedings of the National Academy of Sciences", wie das gelingen könnte: Mithilfe des Bakteriums Xanthobacter autotrophicus stellte der Harvard-Forscher Ammoniak und Phosphor her – beides potente Düngemittel.
Bakterien als Düngemittelfabriken
Für die Produktion griff Sakimoto auf ein künstliches Blatt zurück, das der Harvard-Chemiker Daniel Nocera entwickelt hatte. Es wandelt mittels Photosynthese Sonnenlicht in Treibstoff um. Um Dünger zu gewinnen, konsumierte das Bakterium den durch das künstliche Blatt produzierten Wasserstoff und nutzte den in der Luft enthaltenen Stickstoff.
Das Ergebnis ist eine bakteriensatte, gelbe Flüssigkeit. Sie lässt sich auf die Felder sprühen. Erste Tests mit Nutzpflanzen haben die Forscher bereits durchgeführt. In ihren Wachstumsexperimenten mit Radieschen bildeten die gedüngten Pflanzen mehr als doppelt so große Knollen wie die ungedüngten. Eine Lösung für die Überdüngung wäre das Verfahren damit zwar nicht – wohl aber ein Weg zu einer umweltfreundlichen Düngemittelherstellung. Sakimoto sieht in der Methode vor allem eine Gelegenheit für kleine Farmen und abgelegene ländliche Gemeinden in Entwicklungsländern. Sie könnten ohne gigantische Raffinerien und fossile Rohstoffe ihren Dünger selbst produzieren – nur mit Sonne und Luft.
(bsc)
