Pflanze wächst aus Boden

Nachhaltige Landwirtschaft kann einen großen Beitrag zur Lösung der Klimakrise leisten. An welchen Methoden die Wissenschaft gerade arbeitet, um das zu gewährleisten, könnt ihr hier lesen.

Warum das wichtig ist: Die Landwirtschaft ist global betrachtet für etwa ein Viertel aller Treibhausgasemissionen verantwortlich. Dabei ist die Fleischproduktion oft das einzige Thema, das große mediale Aufmerksamkeit erfährt. Etwa die Hälfte aller landwirtschaftlichen Emissionen kommt aber vom Ackerbau selbst. Durch Forschung und Veränderungen der Anbaupraxis ließen sich hier erhebliche Mengen einsparen. Gleichzeitig könnte man weitere schädliche Folgen der Landwirtschaft wie Nährstoffauswaschung in die Umwelt und starken Einsatz von Pestiziden verringern. Die Mikrobiologie verspricht Lösungsansätze.

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Wie lösen wir die Klimakrise? Das ist wohl die entscheidende Frage unserer Zeit. Doch trotz des wissenschaftlichen Konsensus, dass die Krise existiert und wodurch sie ausgelöst wird, fällt uns die Antwort auf die Frage redlich schwer. Geradezu unmöglich scheint sie zu sein, so verzwickt ist die Lage.
Auf der Suche nach Antworten beschäftigt sich unsere Gesellschaft öffentlichkeitswirksam mit Elektromobilität, dem Ausbau erneuerbarer Energien sowie des öffentlichen Personennahverkehrs, Verbot von Kurzstreckenflügen, CO₂-Kompensationszahlungen und Verzicht auf Fleischprodukte und Transatlantikflüge. Nachhaltige Alternativen auf diesen Gebieten können durchaus einen erheblichen Teil dazu beitragen, unsere Treibhausgasemissionen zu reduzieren.

Die Umwelt, das Klima und die Landwirtschaft

Nur selten wird über eine Reform der Landwirtschaft gesprochen, um Emissionen zu verringern. Dabei spielt sie eine nicht unerhebliche Rolle. Global betrachtet ist die auf die Lebensmittelproduktion ausgerichtete Landwirtschaft für etwa ein Viertel aller Treibhausgasemissionen verantwortlich (Poore and Nemecek, 2018). In der EU sind es – ohne Importware zu berücksichtigen – 10 Prozent (ECA, 2021). 82 Prozent dieser Emissionen werden direkt durch die Landwirtschaft erzeugt, der Rest durch die Lieferketten.
Die Emissionen fallen vor allem in Form von Methan (CH₄) bei der Viehzucht und Distickstoffmonoxid (N₂O) sowie Kohlendioxid (CO₂) beim Ackerbau und anderweitiger Landnutzung an. Viehzucht und Ackerbau tragen zu fast gleichen Teilen zur Emissionserzeugung bei. Das Interessante ist, dass sich gerade letztere verringern ließen, ohne dass Konsument:innen darunter besonders leiden müssten. Theoretisch zumindest. Die Agrarwirtschaft ist außerdem für ein hohes Maß an anderen Umweltschäden, wie die Versauerung der Ozeane, das Kippen von Seen, die Erosion der Böden und das Insektensterben verantwortlich. Nachhaltige Veränderungen könnten gerade hier sehr viel Positives bewirken. Doch weil die Situation komplex ist, die Lösungen vielseitig und nicht leicht zugänglich sind, flammt die öffentliche Debatte darum nicht auf.
Viele Menschen kennen die Mechanismen nicht, durch die Treibhausgase bei der Landwirtschaft entstehen. Das ist vermutlich einer der Gründe, aus denen die Emissionen der Agrarwirtschaft nicht im Mittelpunkt stehen. Die Aufgabe der Wissenschaft ist es also, die Gesellschaft hier aufzuklären und nach Lösungen zu suchen. Einige Ansätze finden sich in der Mikrobiologie: Forschende unternehmen den Versuch, umwelt- und klimaschädliche Pestizide und Dünger mit Mikroorganismen zu ersetzen. Diese könnten die Pflanze mit allem Nötigen versorgen und sie nachhaltig gegen Fraßfeinde und Krankheitserreger verteidigen. Im Folgenden sollen einige der großen Probleme der Agrarwirtschaft ergründet und Mikrobiologie-basierte Lösungsansätze vorgestellt werden.

Das Düngerproblem

Um die stetig wachsende Erdbevölkerung zu ernähren, muss unsere Landwirtschaft immer weiter stabile, wachsende Erträge liefern. Dazu benötigen wir aber sehr viel Dünger. Dieser besteht zu großen Teilen aus Stickstoff (N), der industriell über das Haber-Bosch-Verfahren aus der Atmosphäre gewonnen wird (Schlesinger, 2009). Dabei wird der atmosphärische Stickstoff (N₂) unter hohem Energieaufwand in eine biologisch verfügbare Form gebracht: Als Ammonium (NH₄⁺) oder Nitrat (NO₃⁻) kann er von Pflanzen gut aufgenommen werden und wird in Verbindungen wie zum Beispiel Ammoniumphosphat oder Ammoniumnitrat auf Felder aufgebracht.
Ohne diese Form der Düngung könnten wir wohl nur etwa 50 Prozent der Weltbevölkerung ernähren (Godfray et al., 2010). Sie bringt aber große Probleme mit sich. Nur ein gewisser Anteil des aufgetragenen Stickstoffs wird tatsächlich von den Pflanzen verwendet. Ein großer Teil geht an die Umwelt verloren. Der Verlust findet in Form von Stickoxiden (z. B. N₂O) an die Atmosphäre und Nitrat (NO₃⁻) in tiefere Bodenschichten und das Grundwasser statt. Doch was ist daran nun problematisch?

Das Haber-Bosch-Verfahren ist ein großindustrielles chemisches Verfahren zur Synthese von Ammoniak. Es ist nach den deutschen Chemikern Fritz Haber und Carl Bosch benannt, die das Verfahren am Anfang des 20. Jahrhunderts entwickelten. Der zentrale Schritt des Verfahrens, die Ammoniaksynthese aus atmosphärischem Stickstoff und Wasserstoff, wird an einem eisenhaltigen Katalysator bei Drücken von etwa 150 bis 350 bar und Temperaturen von etwa 400 bis 500 °C durchgeführt. Als bedeutendes Chemieverfahren mit einem Produktionsausstoß von mehr als 150 Millionen Tonnen im Jahr 2017 deckt es mehr als 99 Prozent der weltweiten Produktion an Ammoniak und verbraucht 1-2 Prozent des weltweiten Energiebedarfs.

N₂O-Emissionen und NO₃⁻-Auswaschung: ein Mikroben-Problem und seine Lösung

Nachdem der Dünger auf den Boden ausgebracht wird, ist er nicht nur für Pflanzen frei verfügbar, sondern auch für mikrobielle Bodenbewohner. Gewisse Gruppen von Mikroorganismen, Ammonium- und Nitritoxidierer, konvertieren dabei fast das ganze verfügbare Ammonium (NH₄⁺), ein positiv geladenes Ion, zu Nitrat (NO₃⁻), einem negativ geladenen Ion (Hayatsu et al., 2008).
Dieser Prozess, die sogenannte Nitrifikation, hat verheerende Folgen: Zunächst entsteht bei den Reaktionen N₂O als Nebenprodukt (Bremner and Blackmer, 1978), das als Gas direkt in die Atmosphäre entweicht. N₂O ist ein ⁠Treibhausgas, das rund 300-mal so klimaschädlich ist wie CO₂ und bei seinem Abbau in der Stratosphäre auch noch die Ozonschicht zerstört. Darüber hinaus kann das dabei entstandene Nitrat nicht gut an die meist negativ geladenen Bodenpartikel binden und wird bei Regen oder Bewässerung aus dem Boden ausgewaschen. Mehr als die Hälfte des aufgetragenen Stickstoffs geht so für die Pflanzen verloren.
Stattdessen gelangt er über das Grundwasser in Flüsse, Seen und schlussendlich in unsere Ozeane. Viel Nitrat im Trinkwasser ist für Menschen giftig. Algen hingegen können durch die nun verfügbaren Nährstoffe im Übermaß wachsen und bringen so ganze Gewässer zum Kippen. Dieser Prozess nennt sich Eutrophierung.
Doch diese Probleme lassen sich möglicherweise lösen. Wissenschaftler arbeiten bereits daran, Nitrifikationsprozesse im Boden zu hemmen. Biologische-Nitrifikations-Inhibition, kurz BNI, wird ein Prozess genannt, bei dem Pflanzen selbst über ihre Wurzeln Stoffe abgeben, die Ammonium oxidierende Mikroorganismen in ihrer Umgebung daran hindern, das ausgebrachte Ammonium zu konvertieren (Coskun et al., 2017). Nun geht es darum, solche natürlich vorkommenden Stoffe und ihre Synthesewege in Pflanzen zu identifizieren und deren genaue Wirkungsweise aufzuklären. Dazu testet man Wurzelexsudate und Reinstoffe an Mikroorganismen im Labor und in Böden. Schlussendlich müssen dann Pflanzen gezüchtet werden, die diese Stoffe produzieren und weiterhin hohe Erträge liefern. Um solche Pflanzen anzuziehen, so die Theorie, bräuchte man dann sehr viel weniger Stickstoffdünger, wodurch auch signifikant weniger schädliche Treibhausgase entstünden. Doch BNI durch die Pflanze ist nur ein Lösungsansatz von vielen. Man könnte auch den Dünger selbst verändern. Der Schlüssel dazu: der Einsatz von Bakterien.

BNI macht Landwirtschaft nachhaltiger

Abbildung 1: BNI verringert das Ausscheiden von umweltschädlichen Stoffen und macht Düngen so klimafreundlicher.

Bakterien als Düngezusatz: biologische Unterstützung & Verteidigung

Bei Bakterien denken die meisten an Krankheit, dabei ist der Großteil der Bakterien auf unserer Erde völlig harmlos. Tatsächlich übernehmen sie eine Menge essenzieller Aufgaben in den biogeochemischen Kreisläufen unseres Planeten (Falkowski et al., 2008).
Wie die bereits genannten Nitrifizierer haben auch andere Gruppen von Einzellern wichtige Funktionen in der Boden-Biochemie oder auch bei Entwicklung und Wachstum von Pflanzen. Für viele Landwirt:innen ist es normale Praxis, Leguminosen (Hülsenfrüchte) anzubauen, deren bakterielle Wurzelknöllchen-Symbionten auf natürlichem Wege Stickstoff aus der Atmosphäre fixieren können. Diese Symbionten, sogenannte Rhizobien, leben in Verdickungen an der Wurzel und konvertieren molekularen Stickstoff (N₂) enzymatisch zu Ammonium. Im Austausch gegen Kohlenstoffverbindungen wird dieses dann ohne Verlust an die Umwelt zum Wirt transportiert.
Das Ammonium nutzen die Pflanzen unter anderem zur Proteinherstellung. Leguminosen sind daher proteinreiche Lebensmittel, für die nicht im Überfluss gedüngt werden muss. Im Gegenteil, Bodenstruktur und Nährstoffhaushalt profitieren von ihrer Präsenz und das kann durch Fruchtfolge von anderen Pflanzen genutzt werden (Peoples et al., 2009).
Inzwischen ist auch bekannt: Jede Pflanze lebt in ständiger Assoziation mit diversen Mikroorganismen. Ohne diese wären sie wohl nicht in der Lage, sich normal zu entwickeln. Und das wiederum kann die Wissenschaft ausnutzen. Wenn man also das Pflanzenmikrobiom, die Zusammensetzung der Mikroorganismen in und auf der Pflanze, positiv beeinflussen kann, dann hält man den Schlüssel zu gesunder Entwicklung und hohem Ertrag in Händen. Hierbei gibt es zwei Hauptkomponenten, die man zu kontrollieren versucht: Biostimulanzien und Biokontrollmittel.

Haber Bosch Verfahren

Abbildung 2: Bakterien in den Wurzelknöllchen von Leguminosen binden Stickstoff aus der Atmosphäre und machen ihn so für die Pflanze verfügbar.

Biostimulanzien

Neben Knöllchenbakterien gibt es auch weitere Wurzel-assoziierte Bakterien, die das Wachstum ihres Wirtes fördern. Diese wachstumsfördernden Mikroorganismen bezeichnet man allgemein als Biostimulanzien.
Ihre Wirkungsweisen sind vielfältig und reichen von nicht-symbiontischer Stickstofffixierung über die Solubilisierung von anorganischen Mineralien bis hin zur Produktion und Manipulation von pflanzlichen Hormonen und der Veränderung der Wurzelmorphologie (Backer et al., 2018).
So können beispielsweise gewisse Bakterienstämme ein wachstumsanregendes Hormon, Auxin, produzieren. Auxin stimuliert die Streckung des Sprosses und regt das Wurzelwachstum an. Mit der vergrößerten Wurzeloberfläche kann die Pflanze effizienter Nährstoffe aufnehmen und so mehr Biomasse produzieren. Andere Mikroorganismen liefern der Pflanze wichtige Nährstoffe, indem sie sonst unzugängliche Partikel aufschließen und sie der Pflanze zur Verfügung stellen.
Das gesamte Spektrum der Wirkungsweisen hier im Detail zu erklären, würde zu weit führen. Die neuesten Trends in der Forschung zielen ohnehin darauf ab, multiple Funktionen zu vereinen und Pflanzen mit mehreren Mikroorganismen zu beimpfen. Dabei spielen nicht nur Biostimulanzien eine Rolle, sondern auch solche Organismen, die ihren Wirt vor Krankheitsbefall schützen, sogenannte Biokontrollmittel.

Biologischer Pflanzenschutz: Biokontrollmittel

Da auch der Einsatz von Pestiziden zum Pflanzenschutz keine besonders umweltfreundliche Angelegenheit ist, forschen viele Wissenschaftler:innen an grüneren Alternativen. Diejenigen, die schon einmal erfolgreich eine Blattlausplage mit Marienkäferlarven bekämpft haben, wissen: Die biologische Schädlingsbekämpfung ist nichts Neues. Doch dass auch schon längst Mikroorganismen zum Einsatz kommen, um Pflanzen vor Krankheitserregern zu schützen, ist weniger bekannt.
Dabei bietet diese Form der Schädlingsbekämpfung enorme Vorteile gegenüber herkömmlichen Pestiziden. Sie stellt eine Möglichkeit dar,  gezielt gegen Pathogene vorzugehen, ohne Chemikalien-Rückstände auf der Nahrung oder in der Umwelt zu hinterlassen. Geringerer und gezielterer Einsatz von Antibiotika, Fungiziden und Insektiziden würden die Gefahr der Resistenzentwicklung vermindern und das Insektensterben eindämmen. Außerdem könnte man so der wachsenden Nachfrage nach nachhaltig produzierten Lebensmitteln erfolgreich nachkommen.
Es mangelt nicht an geeigneten Organismen oder Ideen, denn viele Pflanzen-assoziierte Bakterien und Pilze können ihren Wirt gegen Pathogene oder Fraßfeinde verteidigen. Die Mechanismen sind mannigfaltig: Manche Mikroorganismen produzieren Antibiotika, andere konkurrieren mit den Eindringlingen um Lebensraum und Nährstoffe. Einige befallen den Krankheitserreger selbst oder aktivieren das Immunsystem der Pflanzen. (Prashar et al., 2013).
Das Problem liegt im Verständnis der genauen Wirkungsweisen und bei der Produktentwicklung. Zugelassen sind bisher nur wenige „Bio Control Agents“, oder kurz BCAs. Entwicklung und Zulassung verschlingen gewaltige Summen und nehmen sehr viel Zeit in Anspruch. Ohne die nötigen Fördermittel ist es unwahrscheinlich, dass die umweltschädlichen, synthetischen Mittel bald durch nachhaltige biologische Produkte ersetzt werden. Leider gibt die momentane Fördersituation nachhaltiger Landwirtschaft nicht viel Anlass zur Freude.

Biologisches Kontrollmittel: Unter dieser Form der biologischen Schädlingsbekämpfung versteht man die bewusste Einbringung von Viren oder Lebewesen durch den Menschen, um die Population „schädlicher“ Tiere, Pflanzen oder Mikroorganismen zu dezimieren.

Klimaschutzausgabe der EU: Tatsächlich Nachhaltigkeit fördern!

Von 2014 bis 2020 stellte die EU-Kommission mehr als ein Viertel des Gesamtbudgets der gemeinsamen Agrarpolitik, kurz GAP, für die Eindämmung des Klimawandels und die Anpassung an seine Folgen zur Verfügung (ECA, 2021). Damit floss fast die Hälfte aller EU-Ausgaben für den Klimaschutz in die GAP, mehr als 100 Milliarden Euro.
Doch wie der Europäische Rechnungshof, ECA, vor kurzem vorgelegt hat, haben sich die Emissionen seit 2010 praktisch nicht verändert! Aus dem Bericht geht hervor, dass mehrere GAP-Maßnahmen zu einer Aufrechterhaltung oder sogar Erhöhung der Treibhausgasemissionen aus der Viehhaltung führen. Die GAP hat außerdem den Einsatz umweltschädlicher Düngemittel nicht reduziert, also stiegen die Emissionen aus Düngemitteln auf Böden.
Es wird wenig Unterstützung für wirksame Methoden zur Eindämmung des Klimawandels geboten: Für den Einsatz von Nitrifikationshemmstoffen gibt es keine Beihilfen im Rahmen der GAP und auf höchstens 0.5 Prozent der landwirtschaftlichen Nutzfläche der EU werden Futterleguminosen eingesetzt (ECA, 2021). Es ist höchste Zeit, die richtigen Praktiken und deren Erforschung und Entwicklung zu finanzieren, anstatt umwelt- und klimaschädliche Landwirtschaft unter dem Deckmantel des Klimaschutzes zu subventionieren.

Johannes Herpell wurde in Hamburg geboren und studierte zunächst Physik und Philosophie in München. Um Umweltprobleme nicht nur debattieren zu können, wechselte er zum Studium der Biologie nach Wien. Sein Fokus lag und liegt auf der immensen Bedeutung, die Mikroorganismen für globale Stoffkreisläufe haben. In seinem Doktoratsstudium versucht er die Felder Ökologie und Mikrobiologie zusammenzubringen und mittels der Erforschung von Pflanzen-Bakterien-Symbiosen seinen Beitrag zur Lösung der Klimakrise zu leisten.
Johannes Herpell ist Teil der Arbeitsgruppe Molekulare Systembiologie (MoSys) im Department für Funktionale und Evolutionäre Ökologie an der Universität Wien unter Prof. Dr. Wolfram Weckwerth. Dort untersucht er die genetischen und metabolischen Eigenschaften von Pflanzen-assoziierten-Bakterien und deren Wirkung auf ihren Wirt.
Außerdem ist er an dem “PlayNICE”-Projekt beteiligt und untersucht gemeinsam mit Forschenden des Center for Microbiology and Environmental System Sciences potenzielle Nitrifikationsinhibitoren in Gerste.
Auf Twitter findest du Johannes unter @HerpellJohannes.

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Coskun, D., Britto, D.T., Shi, W., and Kronzucker, H.J. (2017). Nitrogen transformations in modern agriculture and the role of biological
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