Bakterienkonsortium im Mais senkt Düngemittelkosten

Stickstoff bildet zusammen mit Kalium und Phosphor das Trio der wichtigsten Makronährstoffe, die an der Pflanzenentwicklung beteiligt sind und als NPK bezeichnet werden. Von diesen drei essentiellen Elementen ist Stickstoff jedoch in der Regel das teuerste und erfordert von Landwirten die größten Investitionen. Pflanzen benötigen ihn auch am meisten, da er für ihr Wachstum, die Wurzelentwicklung und die Photosynthese unerlässlich ist. 

Stickstoffdüngung ist zwar für die meisten landwirtschaftlichen Produkte unerlässlich, hat aber ihren Preis. Da ihre Effizienz aufgrund von Verlusten bei Auswaschung, Verflüchtigung und Denitrifikation selten über 50 % liegt, kann ein längerer oder übermäßig dosierter Düngereinsatz schwerwiegende Auswirkungen auf die Umwelt haben. 

Die Anwendung von Stickstoffdüngern geht häufig mit der Freisetzung von Lachgas einher. Dieses Gas hat ein 265-mal höheres Erwärmungspotenzial als Kohlendioxid, kann über hundert Jahre in der Atmosphäre verbleiben und trägt zum Abbau der Ozonschicht bei. Überschüssiger Stickstoff kann im Boden in Gewässer gelangen und so zur Eutrophierung von Flüssen und Seen führen, was zu übermäßigem Algen- und Wasserpflanzenwachstum führt, das Ökosystem zerstört und beispielsweise Fischsterben verursacht.

Bakterien reduzieren den Düngemitteleinsatz im Sojaanbau

In diesem Zusammenhang gilt Brasilien weltweit als erfolgreiches Beispiel für die Minimierung des großflächigen Einsatzes von Stickstoffdüngern bei Leguminosen wie Sojabohnen, wodurch die Kosten für die Erzeuger und die Umweltbelastung reduziert werden. Diese Besonderheit der brasilianischen Landwirtschaft geht auf die 60er Jahre zurück, als Forscher begannen, hervorragende Ergebnisse in Studien zu erzielen, die den Ersatz dieser konventionellen Düngemittel durch Mikroorganismen untersuchten, die in der Lage sind, bereits in der Atmosphäre vorhandenen Stickstoff zu binden und ihn Pflanzen zur Verfügung zu stellen. Zu den Pionierinnen auf diesem Gebiet zählen die Forscherinnen Johanna Döbereiner und Mariangela Hungria, die im Mai 2025 mit dem Welternährungspreis ausgezeichnet wurden, der von vielen Agrarwissenschaftlern als „Nobelpreis der Landwirtschaft“ angesehen wird.

Brasiliens Erfolg beim Einsatz von Bakterien der Gattung Bradyrhizobium zur Stickstofffixierung in Sojabohnen wurde von der Fachzeitschrift Frontiers in Microbiology als eines von 14 weltweiten Beispielen für den erfolgreichen Einsatz von Mikroorganismen zur Steigerung der landwirtschaftlichen Produktion hervorgehoben. Die Publikation würdigt beispielsweise den Einsatz stickstofffixierender Bakterien auf 80 % der Sojabohnenanbaufläche in der Ernte 2019/2020 – eine Managementtechnik, die in diesem Zeitraum erfolgreich die Freisetzung von 430 Millionen Tonnen CO2 in die Atmosphäre verhinderte.

„Stellen Sie sich vor, Sie bauen eine für Brasilien und die Welt so wichtige Nutzpflanze wie Sojabohnen an. Anstatt 400 oder 500 Kilogramm Stickstoffdünger pro Hektar auszubringen, verwenden Sie ein Bakterium, das Stickstoff aus der Atmosphäre aufnehmen und der Pflanze im Austausch für Nährstoffe und Schutz zuführen kann. Das passiert in Brasilien schon seit vielen Jahren; es ist nichts Neues“, erklärt der Agronom Fernando Shintate Galindo, Spezialist für nachhaltiges Nährstoffmanagement. „In den letzten zehn bis fünfzehn Jahren haben wir jedoch eine Entwicklung der Methoden und Techniken erlebt, die es Forschern ermöglicht hat zu verstehen, dass es unzählige Mikroorganismen gibt, die auch anderen Nutzpflanzen als Sojabohnen zugutekommen können“, sagt der Professor der Abteilung für Pflanzenproduktion an der Fakultät für Agrar- und Technologiewissenschaften (FCAT) auf dem Dracena-Campus der Unesp. 

Der Forscher am Dracena-Campus erforscht verschiedene Arten von Mikroorganismen, die das Pflanzenwachstum fördern, den Düngemitteleinsatz reduzieren und gleichzeitig die Produktion aufrechterhalten oder sogar steigern. In einer seiner Studien, die in der Fachzeitschrift Plant Biology von BioMed Central (BMC) veröffentlicht wurde, untersuchte Galindo zusammen mit einem Forscherteam die Vorteile der gleichzeitigen Impfung von Maispflanzen mit zwei Bakterien: Azospirillum brasilense, bekannt für seine Fähigkeit, Stickstoff im Boden zu binden und das Pflanzenwachstum anzuregen, und Bacillus subtilis, fördert das Wurzelwachstum und kann als Resistenz gegen Schädlinge und Krankheiten wirken. 

Die Arbeit dauerte etwa zwei Jahre und war Teil eines von FAPESP geförderten Postdoc-Praktikums. Der Feldversuch wurde an drei verschiedenen Standorten durchgeführt und umfasste vier Maisanbaukonfigurationen: eine Kontrollgruppe, eine Gruppe, die ausschließlich Azospirillum brasilense erhielt, eine, die ausschließlich Bacillus subtilis erhielt, und schließlich eine vierte Gruppe, die beide Mikroorganismen erhielt. Darüber hinaus wurden in jeder Gruppe unterschiedliche Stickstoffdüngermengen getestet. 

Mehr Produktivität bei geringeren Kosten

Von da an überwachten die Forscher jede Wachstumsphase der Parzellen, um die physiologischen und biochemischen Reaktionen der Pflanzen in jedem Szenario zu vergleichen. Dabei wurden auch Parameter im Zusammenhang mit der Photosynthese, dem oxidativen Stress und der Nährstoffnutzung berücksichtigt, beispielsweise ihre Fähigkeit, Stickstoff aus dem Boden zurückzugewinnen und seine Nutzungseffizienz zu steigern. 

Zu den wichtigsten Erkenntnissen des Teams gehört die Bestätigung, dass das Bakterienkonsortium trotz einiger Besonderheiten in Kombination mit einer optimalen Stickstoffdosis die Effizienz der Makronährstoffnutzung verbessern und das oberirdische und Wurzelwachstum der Pflanzen fördern konnte. Die kombinierte Impfung mit Azospirillum brasilense und Bacillus subtilis wirkte sich zudem auf Parameter der Photosynthese aus, steigerte die CO2-Aufnahme und -Assimilation, die Transpiration und die Wassernutzungseffizienz und verringerte gleichzeitig den oxidativen Stress.

„In dieser Studie haben wir festgestellt, dass die Inokulation die Stickstoffdüngung zwar mit hervorragenden Ergebnissen ergänzt, aber nicht ersetzt. Wird zu viel Stickstoff zusammen mit diesen Mikroorganismen ausgebracht, beeinträchtigt dies deren Leistung, quasi eine Überdosis“, erklärt Galindo. „Es handelt sich um ein Gleichgewicht, bei dem die Reaktion der Pflanze auf Nährstoffe und bakterielle Ko-Inokulation optimal ist.“ Die Ergebnisse zeigten, dass die optimale Stickstoffausbringungsmenge von den herkömmlichen 240 kg N/ha auf 175 kg N/ha gesenkt werden könnte, was die Kosten senkt und die Maisproduktivität um 5,2 % steigert. Darüber hinaus würde die Formel die Kohlendioxidemissionen um 682,5 kg CO2e/ha reduzieren.

Laut dem Forscher vom Dracena-Campus könnten die Erzeuger durch eine Reduzierung der Stickstoffdüngung im Maisanbau um etwa 25 % rund 130 Real pro Hektar einsparen. „Wenn wir diese Werte auf ein hypothetisches Modell hochrechnen, das die gesamte Maisanbaufläche Brasiliens berücksichtigt, die derzeit rund 22 Millionen Hektar beträgt, sprechen wir von Einsparungen von rund 2,86 Milliarden Real pro Jahr“, prognostiziert der Professor. „Das ist das Sichtbare, das Messbare. Es gibt auch Umwelt- und Klimaprobleme, die wir noch nicht so gut messen können, die aber berücksichtigt werden müssen.“