Die Beschichtung schützt nützliche Pilze im chemischen Dünger.

Forscher von Embrapa Instrumentation (SP) und der Bundesuniversität von São Carlos (UFSCar) haben eine Technologie entwickelt, die Mineraldünger und ein biologisches Mittel in einer einzigen Formulierung vereint und so deren gleichzeitige Anwendung ermöglicht. Die Technologie besteht aus einer biologisch abbaubaren Beschichtung, die auf die Granulate eines phosphor- und stickstoffbasierten Düngers aufgebracht wird und als Schutzschicht für den Pilz Trichoderma harzianum dient, einen nützlichen Mikroorganismus, der in der Landwirtschaft häufig als biologischer Düngemittel eingesetzt wird.

Trichoderma harzianum besitzt großes Potenzial für den Einsatz in der Landwirtschaft, reagiert jedoch empfindlich auf ungünstige Umweltbedingungen. Die Beschichtung erhält die Lebensfähigkeit des Mikroorganismus während der Lagerung und fördert seine allmähliche Freisetzung in den Boden nach der Düngung, wodurch seine Wirksamkeit im Feld erhöht wird.

Die Technologie berücksichtigt die Eigenschaften des Pilzes und ermöglicht durch die Kombination verschiedener Betriebsmittel deren gleichzeitige Anwendung, was zuvor durch die Inkompatibilität der Komponenten eingeschränkt war. Dies kann zu einer effizienteren Ressourcennutzung und zur Reduzierung von Abfällen und Treibhausgasemissionen in der Landwirtschaft beitragen.

Die Herausforderung besteht nun darin, die Technologie kommerziell auszuweiten und ihre Leistungsfähigkeit bei verschiedenen Nutzpflanzen und Feldbedingungen zu validieren.

Die Lösung erhöht die Rentabilität

Die Forscherinnen Cristiane Sanchez Farinas, Koordinatorin der Studie bei Embrapa Instrumentation, sowie Aline Medeiro Ferreira und Mariana Govoni Brondi, Mitglieder des Forschungsteams, verkapselten den Pilz Trichoderma harzianum in einer biologisch abbaubaren, auf Cellulose basierenden Polymermatrix. Diese Polymermatrix dient als Bindemittel für die anderen Bestandteile und ähnelt dem Teig eines Kuchens. Das Ergebnis ist eine Beschichtung, die direkt auf Düngemittelgranulat aufgebracht wird und die Lebensfähigkeit des Mikroorganismus erhält.

Experimente haben gezeigt, dass eingekapselte Sporen – Strukturen, die Pilze zur Vermehrung bilden – nach dreimonatiger Lagerung bei Raumtemperatur eine hohe Überlebensrate aufwiesen, während nicht eingekapselte Sporen bis zu tausendmal ihre Vitalität verloren.

Pilze sind ein unsichtbarer Verbündeter der Produktivität.

Aline Ferreira, Masterabsolventin der Chemieingenieurwissenschaften an der UFSCar und Erstautorin der Studie „Verkapselung von Trichoderma harzianum in mit Nanocellulose verstärkter Carboxymethylcellulose zur Ausbringung als Düngemittelbeschichtung“, die im Februar dieses Jahres in ACS Agricultural Science & Technology veröffentlicht wurde, erklärt, dass Trichoderma harzianum ein in der Agrarwissenschaft bekannter Pilz ist. „Er wird häufig als biologisches Bekämpfungsmittel eingesetzt, da er Phytopathogene bekämpft, das Pflanzenwachstum anregt und die Nährstoffaufnahme erhöht.“

Trotz dieses Potenzials steht die großflächige Anwendung vor einem Hindernis: geringe Überlebensraten nach der Lagerung und insbesondere bei direktem Kontakt mit chemischen Düngemitteln. Cristiane Farinas, die sich seit zwölf Jahren mit diesem Thema beschäftigt, erklärt, dass Substanzen wie Harnstoff und Monoammoniumphosphat (MAP) – ein mineralischer Dünger reich an Phosphor und Stickstoff – das Überleben von Bodenmikroorganismen beeinträchtigen können. „Sie sind extrem empfindlich. Außerhalb ihrer idealen Umgebung sterben sie schnell in der Sonne oder im Kontakt mit hochwirksamen chemischen Düngemitteln“, so die Forscherin.

Laut ihrer Aussage können diese Verbindungen osmotischen Stress verursachen, eine Situation, in der Mikroorganismen aufgrund eines Überschusses an konzentrierten Substanzen in ihrer Umgebung Wasser verlieren. Zusätzlich verändern sie den pH-Wert und lösen chemische Reaktionen aus, die ihr Überleben gefährden. In der Praxis reduziert dies die Wirksamkeit biologischer Impfstoffe – Produkte, die Mikroorganismen mit pflanzenfördernder Wirkung enthalten – drastisch und schränkt deren Anwendung im Feld ein.

Die Kapsel schützt den Mikroorganismus.

Um dieses Problem zu überwinden, schufen die Forscher eine Art mikroskopischen "Schutzschild". Der Pilz wurde in eine polymere Matrix aus Carboxymethylcellulose (CMC), einem Cellulosederivat, eingekapselt, die mit Cellulose-Nanokristallen (CNC) verstärkt war.

„Diese Struktur bildet einen widerstandsfähigen und biologisch abbaubaren Film, der die Pilzsporen umhüllt und sie vor widrigen Bedingungen schützt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen, die den Inhalt schnell freisetzen, sorgt das neue Material dafür, dass der Pilz kontinuierlich im Boden verfügbar ist“, sagt Aline Ferreira.

Die Postdoktorandin Mariana Govoni Brondi, die den Artikel mitverfasst hat, betont, dass diese Eigenschaft ideal für präventive Anwendungen in der Landwirtschaft sei, da der Pilz durch seine längere Aktivität in der Rhizosphäre, der wurzelnahen Region, die Umgebung vor dem Eindringen von Krankheitserregern besiedeln und so eine Art natürliche biologische Barriere bilden könne. „Darüber hinaus vermeidet die allmähliche Freisetzung den direkten Kontakt mit dem Dünger, was die Überlebensrate zusätzlich erhöht“, erklärt sie.

Brondi betont weiterhin, dass die Beschichtung des Granulats auch die Freisetzungsrate des chemischen Düngers beeinflusst. Laut Brondi bedeutet die langsamere und kontrolliertere Freisetzung, dass die Nährstoffe den Pflanzen länger zur Verfügung stehen. Dadurch müssen Landwirte seltener nachdüngen, was Kosten und Umweltbelastungen reduziert und Probleme wie Eutrophierung und Treibhausgasemissionen verringert.

Die Forscher berichten, dass mit der Polymermatrix beschichtete Monoammoniumphosphat-Granulate (MAP) selbst nach 30-tägiger Lagerung ein kontinuierliches Pilzwachstum aufwiesen. Herkömmliche Methoden, wie die Verwendung von Zuckerlösungen zur Fixierung von Mikroorganismen, zeigten im Laufe der Zeit einen deutlichen Wirkungsverlust.

Auswirkungen auf die Umwelt und die Wirtschaft

Mikrobielle Impfstoffe etablieren sich als Alternative zum intensiven Einsatz chemischer Düngemittel, sind aber auf Technologien angewiesen, die ihre Wirksamkeit im praktischen Einsatz gewährleisten.

Cristiane Sanchez Farinas sagt, dass Carboxymethylcellulose ein kostengünstiges und weit verbreitetes Material sei, während Cellulose-Nanokristalle aus landwirtschaftlichen Abfällen hergestellt werden könnten, was mit den Prinzipien der zirkulären Bioökonomie im Einklang stehe.

Studie vorgestellt

Die wissenschaftliche Arbeit wurde auf dem 20. Europäischen Biotechnologie-Kongress vorgestellt, der von der Europäischen Föderation für Biotechnologie (EFB) organisiert wurde und im Juni dieses Jahres in Antwerpen (Belgien) stattfand.

Es erhielt finanzielle Unterstützung von der São Paulo Research Foundation (FAPESP), dem Nationalen Rat für wissenschaftliche und technologische Entwicklung (CNPq), der Koordinierungsstelle für die Verbesserung des Hochschulpersonals (CAPES) und dem Nationalen Agrarforschungssystem (SNPA).