Wechselwirkung zwischen biologischen Nitrifikationsinhibitoren, dem N-Kreislauf und N-Nuzungseffizienz

Die Landwirtschaft verdoppelt jährlich durch die Einbringung industriell hergestellten Stickstoffdüngers in den Boden den bioverfügbaren Stickstoff in der Umwelt. Dies hat im 20. Jahrhundert zu einem massiven Anstieg der Nahrungsmittelproduktion geführt und wesentlich zur grünen Revolution beigetragen, die es ermöglic ht hat die stark wachsende Weltbevölkerung zu ernähren. Etwa die Hälfte der Menschheit ernährt sich derzeit von Lebensmitteln, die nur produziert werden können, weil industrielle Stickstoffdünger eingesetzt werden. Dieser enorme zusätzliche Eintrag von reaktivem Stickstoff in die Umwelt hat aber auch zu einem massiven Ungleichgewicht im natürlichen Stickstoffkreislauf geführt, mit verheerenden Folgen für die Umwelt. Übermäßige und schlecht konzipierte Stickstoffdüngung führt dazu, dass große Mengen Lachgas - ein Treibhausgas, das 300-mal stärker ist als Kohlendioxid - aus dem Ackerbau freigesetzt werden. Die Stickstoffdüngung verursacht außerdem eine massive Verschmutzung von Grundwasser, Flüs sen und Meeren mit Nitrat und trägt damit wesentlich zur Eutrophierung bei, die eines der größten Umweltprobleme der Erde darstellt. Der Verlust des Stickstoffdüngers aus landwirtschaftlichen Feldern wird zu einem großen Teil durch die Aktivität von Bodenmikroorganismen verursacht. In der industriellen Landwirtschaft wird hauptsächlich Stickstoffdünger in Form von Ammonium und Harnstoff verwendet. Die im Boden lebenden Mikroorganis men konkurrieren mit Kulturpflanzen um den zugesetzten Stickstoff, und einige Gruppen von Mikroorganismen (Nitrifikanten und Denitrifikanten) wandeln ihn in jene Stickstoffformen wie Lachgas oder Nitrat um, die leic ht aus dem Boden verloren gehen und somit nicht weiter für die Pflanzen verfügbar sind. Gegenwärtige Methoden zur Hemmung der Nitrifikation im Boden beinhalten den Einsatz von synthetischen Nitrifikationsinhibitoren (SNI), die zusammen mit Düngemitteln auf landwirtschaftlichen Flächen ausgebracht werden. Allerdings sind SNI oft kurzlebig und haben unbekannte Auswirkungen auf die anderen Vertreter der mikrobiellen Gemeinschaften im Boden und die Pflanzen. Zudem ist ihre Wirkung auf Menschen und Tiere weitgehend unbekannt. In unserem Forschungsprojekt werden wir von Pflanzen produzierte biologische Nitrifikationsinhibitoren (BNI) im Detail untersuchen. Wir gehen davon aus, dass wir durch die Hemmung oder Reduzierung der Nitrifikation des bioverfügbaren Stickstoffs im Boden die Stickstoffeffizienz von Pflanzen erhöhen und so den Stickstoffverlust in landwirtschaftlichen Böden verringernkönnen. In dieseminterdisziplinären Forschungsprojekt werden wir Ansätze aus unterschiedlichen Bereichen der Biowissenschaften zur Identifizierung und detaillierten Charakterisierung verschiedener BNI nutzen. Unser Ziel ist es die mechanistische Wirkungsweise der BNI, sowie die Auswirkungen dieser Pflanzen-Mikroben-Wechselwirkung auf den Stickstoffkreislauf im Detail zu verstehen. Durch diese Kenntnisse wollen wir dazu beitragen neue Ansätze zu entwickeln, um die Effizienz der Stickstoffdüngung zu verbessern und eine nachhaltigere Landwirtschaft zu ermöglichen.

Die industrielle Landwirtschaft hat durch den massiven Einsatz von Stickstoffdüngern die Ernährung von etwa der Hälfte der Weltbevölkerung ermöglicht. Gleichzeitig führt dieser hohe Stickstoffeintrag zu erheblichen Umweltproblemen: Hohe Emissionen von Lachgas, einem rund 300-mal stärkeren Treibhausgas als CO, sowie eine starke Belastung von Grundwasser, Flüssen und Meeren durch Nitrat tragen weltweit zur Eutrophierung bei. Ein großer Teil dieser Verluste entsteht durch die Aktivität von Bodenmikroorganismen, die Stickstoff in verlierbare Formen wie Nitrat und Lachgas umwandeln. Zur Reduktion dieser Stickstoffverluste werden synthetische Nitrifikationsinhibitoren (SNI) eingesetzt. Diese wirken dauerhaft und hemmen die Nitrifikation über lange Zeiträume, können jedoch langfristig in den Böden verbleiben und möglicherweise andere mikrobielle Prozesse beeinflussen. In unserem Projekt untersuchten wir pflanzenproduzierte biologische Nitrifikationsinhibitoren (BNI) als naturbasierte Alternative. BNI wirken gezielt, werden im Boden relativ schnell abgebaut und zeigen kaum negative Effekte auf andere zentrale mikrobielle Prozesse. Dadurch können sie genau dann aktiv sein, wenn Stickstoffdünger ausgebracht wird, ohne sich langfristig anzureichern - ein wesentlicher Vorteil gegenüber synthetischen Inhibitoren. Unsere Ergebnisse zeigten, dass die Wirksamkeit von BNI stark vom Bodentyp abhängt. In einigen Böden waren sie weniger effektiv, in anderen erreichten sie eine Hemmung der Nitrifikation vergleichbar mit etablierten synthetischen Inhibitoren. Dies bedeutet, dass BNI unter bestimmten Bedingungen den Stickstoffverlust deutlich reduzieren und die Effizienz von Düngemitteln erhöhen können, ohne die Bodenökosysteme negativ zu beeinflussen. Im Projekt kombinierten wir molekulare, metabolomische, mikrobiologische und bodenökologische Ansätze, um verschiedene BNI und ihre Abbauprodukte zu identifizieren, ihre Wirkmechanismen aufzuklären und ihre Rolle in der Pflanzen-Mikroben-Interaktion detailliert zu verstehen. Dabei zeigte sich, dass komplexe Wechselwirkungen zwischen Bodenchemie und Bodenmikrobiom die Übertragbarkeit der Ergebnisse zwischen verschiedenen Böden erschweren. Weitere Untersuchungen sind daher notwendig, um die Wirksamkeit von BNI zuverlässig in unterschiedlichen Bodentypen vorhersagen zu können. Insgesamt liefert das Projekt wichtige wissenschaftliche Grundlagen für eine nachhaltigere Landwirtschaft. Pflanzenbasierte Nitrifikationsinhibitoren könnten dazu beitragen, Stickstoffverluste zu reduzieren, Treibhausgasemissionen zu senken, Gewässer zu schützen und den Einsatz synthetischer Inhibitoren gezielter und umweltfreundlicher zu gestalten. Damit eröffnen BNI neue Perspektiven für die Entwicklung effizienter, ressourcenschonender und umweltverträglicher Düngestrategien in der Landwirtschaft.