Embrapa identifiziert Bakterien, die Stickstoff in Baumwolle binden.

Forscher von Embrapa haben Bakterien identifiziert, die Stickstoff in Baumwollpflanzen binden können. Diese Entdeckung ist ein wichtiger Schritt hin zur Entwicklung von Bio-Düngemitteln für Baumwolle und andere Nutzpflanzen, sei es für den ökologischen Landbau oder zur Verringerung der Abhängigkeit von importierten chemischen Düngemitteln. Diese diazotrophen Bakterien können Stickstoff aus der Luft in pflanzenverfügbare Formen umwandeln. Sie wurden in den Wurzeln von Baumbaumwolle gefunden.

Die biologische Stickstofffixierung (BNF) ist in Brasilien bei Leguminosen wie Sojabohnen bereits etabliert, lässt sich aber bei Nutzpflanzen wie Baumwolle noch nicht anwenden. „Bei Sojabohnen ist dies schon gut bekannt, aber Sojabohnen können über Wurzelknöllchen eine Symbiose mit diesen Bakterien eingehen. Die Impfung von Baumwolle mit Bakterien könnte potenziell Stickstoffdünger ersetzen, der teuer ist und beispielsweise im ökologischen Landbau nicht eingesetzt werden kann“, erklärt Lúcia Hoffmann, Forscherin bei Embrapa Algodão (PB), die die Studie in Zusammenarbeit mit Embrapa Agrobiologia (RJ) koordiniert.

Seit 24 Jahren arbeitet Hoffmann an der Kartierung und Katalogisierung von Baumarten in Brasilien. Dazu gehören drei Arten, die mit der Kulturbaumwolle verwandt sind: die einheimische brasilianische Baumwolle (Gossypium mustelinum), die wild wächst und in Naturschutzgebieten von Paraíba und Pernambuco sowie in Auwäldern in Bahia vorkommt; die Mocó-Baumwolle, die bis in die 1980er Jahre in der halbtrockenen Region weit verbreitet kommerziell angebaut wurde; und die Urbaumwolle, Gossypium barbadense, die in Hinterhöfen und Gärten in ganz Brasilien kultiviert wird, häufig zu medizinischen oder Zierzwecken und zur Herstellung von Kunsthandwerk durch traditionelle Gemeinschaften.

„Alle Baumbaumwollpflanzen haben tiefe Wurzeln, die zur Bodenerhaltung beitragen, unter anderem durch Symbiose und Assoziation mit Pilzen und Bakterien, und die der Pflanze helfen, Wasser und Nährstoffe aus dem Boden besser zu nutzen“, sagt der Forscher.

Die bakterielle Impfung hat eine Wirkung, die der Stickstoffdüngung entspricht.

Die Forschung begann mit der Isolierung diazotropher Bakterien im Labor, die in den Wurzeln der Baumbaumwolle (Gossypium barbadense), auch bekannt als Urbaumwolle oder Gartenbaumwolle, vorkommen. Anschließend wurden die Mikroorganismen in krautige Baumwollpflanzen, eine im großen Stil kommerziell angebaute Art, eingebracht. In ersten Versuchen zeigten die mit den Bakterien behandelten Pflanzen ein ähnliches Wachstum wie Pflanzen, die die für den Baumwollanbau in der Cerrado-Region empfohlene Stickstoffdüngermenge erhalten hatten.

Das Experiment wurde 2025 im Cerrado Cotton Regional Center, angesiedelt bei Embrapa Rice and Beans (GO), durchgeführt. Die Pflanzen wurden in einzelnen Töpfen unter kontrollierten Bedingungen in Gewächshäusern kultiviert. „Wir beobachteten, dass die Pflanzen, die lediglich die Bakterien ohne Stickstoffdüngung erhielten, sich genauso gut entwickelten wie die gedüngten Pflanzen. Dies deutet darauf hin, dass diese Mikroorganismen das Potenzial besitzen, als biologische Düngemittel eingesetzt zu werden und einen Teil der herkömmlichen Düngung zu ersetzen“, berichtet der Forscher.

„Der nächste Schritt besteht darin, die Studien zu vertiefen, um neue Stämme diazotropher Bakterien zu identifizieren und zu charakterisieren, die künftig als Bio-Inputs für den Baumwollanbau und andere landwirtschaftliche Nutzpflanzen eingesetzt werden könnten“, sagt die Forscherin Marcia Soares Vidal, die gemeinsam mit Lúcia Hoffmann an einem Projekt zur Isolierung und Charakterisierung neuer diazotropher Bakterien arbeitet.

Laut ihren Angaben stellen die Mineralstoffdüngung den größten Kostenfaktor in der Baumwollproduktion dar, wobei Stickstoff zu den Nährstoffen gehört, die bei der Düngung am häufigsten verloren gehen. „Stickstoff ist der Nährstoff, der am häufigsten Mangelerscheinungen aufweist, selbst bei Anwendung der empfohlenen Mengen. Dies ist möglicherweise auf Verluste durch Verflüchtigung (im Falle von Ammoniak), Denitrifikation oder Auswaschung zurückzuführen“, erklären sie und beziehen sich dabei auf Prozesse, die durch Regenwasser oder Überschwemmungen von landwirtschaftlichen Nutzflächen verursacht werden.

Wirtschaftliche und ökologische Auswirkungen

Neben wirtschaftlichen Vorteilen kann der teilweise Ersatz chemischer Düngemittel durch biologische Stickstofffixierung auch zur Verringerung der Umweltbelastung durch die Landwirtschaft beitragen. Denn der geringere Einsatz von Stickstoffdüngern reduziert die Emission von Lachgas, einem der wichtigsten Treibhausgase, die von landwirtschaftlichen Böden freigesetzt werden. „Die Lachgasemissionen in die Atmosphäre lassen sich durch die Einschränkung der Stickstoffdüngung, ob chemisch oder organisch, minimieren. Lachgas ist nach CO₂ das wichtigste Treibhausgas, das von landwirtschaftlichen Böden emittiert wird“, betonen die Experten.

Die Studie zielt außerdem darauf ab, Brasiliens Abhängigkeit von Stickstoffdüngerimporten zu verringern. Derzeit importiert das Land 95 % des in der Landwirtschaft verwendeten Stickstoffdüngers, wodurch die nationale Agrarproduktion anfälliger für Schwankungen auf dem internationalen Markt wird.

Die Forscher berichten, dass einige diazotrophe Bakterien neben der Stickstofffixierung noch weitere Vorteile bieten. „Es handelt sich um multifunktionale, nützliche Mikroorganismen, die eine mutualistische Beziehung mit Wirtspflanzen eingehen und pflanzenwachstumsfördernde Eigenschaften aufweisen, wie beispielsweise die Synthese von Phytohormonen, die Nährstoffaufnahme, die Abwehr von Krankheitserregern und Insektenschädlingen, die Induktion von Resistenzen und die Milderung von Wasserstress“, erklären sie.

Auf der Grundlage dieser Eigenschaften haben Embrapa Algodão und Embrapa Agrobiologia Studien durchgeführt, die darauf abzielen, neue Bio-Inputs zu entwickeln, um die Produktivität der Pflanzen auch unter widrigen klimatischen Bedingungen zu steigern.

Kunden der Produktion

Einer Studie des Mato Grosso Instituts für Agrarökonomie in Zusammenarbeit mit Senar-MT zufolge machen Düngemittel und Pestizide derzeit 44,76 % der gesamten Produktionskosten von Baumwolle aus.

In Brasilien wurden die Gesamtkosten im Juli 25 auf 18.454,19 R$/ha geschätzt, ein Anstieg von 17,83 % gegenüber dem konsolidierten Wert für die Ernte 2024/25. In Mato Grosso, dem größten nationalen Faserproduzenten, beliefen sich die konsolidierten Produktionskosten für dieselbe Ernte auf 15.661,10 R$/ha, eine Reduzierung um 3,43 % gegenüber der vorherigen Ernte. Diese Reduzierung ist auf die gesunkenen Kosten für Bodenverbesserungsmittel und Pflanzenschutzmittel zurückzuführen.

Unter Berücksichtigung der Einnahmen aus dem Verkauf von Baumwollfasern und Baumwollsamen wird der Bruttoertrag der brasilianischen Ernte 2024/25 auf 18.727,44 R$/ha geschätzt. Dies entspricht einem Anstieg von 6,39 % gegenüber der Ernte 2023/24. Dieser Betrag deckt alle Produktionskosten und sichert dem Erzeuger eine Gewinnspanne von 3.066,34 R$/ha.

Entwicklung des Baumwollanbaus in Brasilien

Brasilien ist weltweit führend im Export von Baumwolle und der drittgrößte Produzent. Laut dem brasilianischen Baumwollproduzentenverband (Abrapa) produzierte das Land im Jahr 2025 2,83 Millionen Tonnen Baumwolle, für 2026 wird ein Anstieg auf 3,83 Millionen Tonnen erwartet. Baumwolle wird in allen Regionen Brasiliens angebaut, wobei der Schwerpunkt auf den Cerrado-Gebieten liegt. Der Bundesstaat mit der größten Anbaufläche ist Mato Grosso, gefolgt von Bahia, Minas Gerais, Mato Grosso do Sul und Goiás.

Baumbaumwolle, in der stickstofffixierende Bakterien nachgewiesen wurden, war bis Mitte der 1980er Jahre die kommerziell angebaute Art in Brasilien. Ohne technologische Fortschritte lag die Produktivität zwischen 55 und 140 kg/ha und erforderte eine größere Anbaufläche.

Genetische Verbesserungsprogramme zur Entwicklung widerstandsfähigerer und an unterschiedliche Klimabedingungen angepasster Sorten mit kürzeren Wachstumszyklen sowie Lösungen zur Bekämpfung des Baumwollkapselkäfers – des wichtigsten Baumwollschädlings – zählen zu den Forschungsbeiträgen, die den Baumwollanbau in Brasilien gestärkt und zu seiner Ausweitung beigetragen haben. Heute beträgt die Anbaufläche nur noch ein Drittel der Fläche von in den 1970er Jahren, und die Produktion ist fast fünfmal so hoch.

Seit Jahrzehnten ist die krautige Baumwolle die für kommerzielle Zwecke angebaute Art. Angepasst an die Bedingungen des Cerrado, war sie einer der Faktoren, die für die Ausbreitung der Kulturpflanze vom Nordosten in den Mittelwesten verantwortlich waren, wo die Produktivität heute laut Daten des brasilianischen Instituts für Geographie und Statistik (IBGE) aus dem Jahr 2024 4,3 kg/ha übersteigt.