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Können verbesserte Mikroben wirklich Kunstdünger ersetzen?

2. August 2018

Mit der synthetischen Biologie eröffnen sich Möglichkeiten, Mikroben so zu verbessern, dass Kulturpflanzen ohne Kunstdünger auskommen.

Unser Körper ist nicht nur ein einzelnes Lebewesen, sondern besteht aus vielen verschiedenen. Tatsächlich enthält er mehr Bakterien als menschliche Zellen. Eine Fülle mikroskopisch kleiner Organismen lebt sowohl auf als auch in uns. Sie erweist uns wichtige Dienste, ohne die wir nicht überleben könnten.

So geht es natürlich nicht nur dem Menschen – alle Tiere und Pflanzen leben mit einer ähnlichen Vielzahl von Mikroorganismen. Diese ökologische Lebensgemeinschaft voneinander abhängiger Organismen wird als Mikrobiom bezeichnet.

Die Wurzeln mancher Pflanzen – Hülsenfrüchte wie beispielsweise Soja – haben Mikrobiome, die besondere Bakterien beinhalten. Diese nehmen den Stickstoff aus der Luft und wandeln ihn in essenzielle Nährstoffe für die Wirtspflanze um. Die meisten lebenden Organismen haben diese Fähigkeit im Lauf der Evolution jedoch nicht erworben.

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Warum Bauernhöfe Dünger brauchen – zumindest vorerst noch ...

Fast 80 % der Erdatmosphäre bestehen aus Stickstoff, doch für die Mehrzahl der Pflanzen und Tiere ist es in dieser Form nicht nutzbar. Die meisten Pflanzen beziehen den zum Wachstum benötigten Stickstoff aus Substanzen aus dem Boden, und Tiere fressen dann eben diese Pflanzen (oder andere Tiere).

Dies stellt Landwirte in aller Welt vor eine Herausforderung. Landwirte müssen auf den Einsatz von synthetischem Dünger zurückgreifen, um die im Boden verfügbare Menge an Stickstoff und anderen Nährstoffen für ihre angebauten Feldfrüchte zu ergänzen und so den weltweiten Nahrungsmittelbedarf zu decken.

„Synthetischer Stickstoffdünger ist für Landwirte weltweit unverzichtbar und wird vermutlich bei 90 % der landwirtschaftlichen Produktion eingesetzt“, so Mike Miille, Geschäftsführer von Joyn Bio, einem neuen Joint Venture zwischen Bayer und Ginkgo Bioworks. „Ohne Kunstdünger würden die Erträge der jeweiligen Feldfrüchte auf ein sehr geringes Maß sinken, möglicherweise sogar auf null zurückgehen, denn die Pflanzen bekämen einfach nicht genügend Nährstoffe für ihr Wachstum.“

Kunstdünger spielt eine derart wichtige Rolle für die globale Landwirtschaft, dass Schätzungen zufolge ohne ihn wohl fast die Hälfte der Weltbevölkerung nicht ernährt werden könnte. Das sind rund 3,6 Mrd. Menschen auf Erden, die synthetischem Dünger ihre Existenz verdanken.

Aber das hat seinen Preis.

Stickstoff aus der Atmosphäre in Stickstoffverbindungen umzuwandeln, das sogenannte Haber-Bosch-Verfahren, ist aufwändig und sehr energieintensiv. Es verbraucht 1 bis 2 % des globalen Energieangebots und etwa 3 % der globalen Erdgasproduktion. Außerdem ist das Verfahren für zirka 3 % des gesamten CO2-Ausstoßes verantwortlich. Darüber hinaus kann synthetischer Dünger nicht präzise dosiert werden, und überschüssige Nährstoffe schaden der Umwelt.

„Synthetischer Dünger hat viele Vorteile, doch sein Einsatz zieht auch eine Reihe von Konsequenzen nach sich“, so Maya Almaraz, eine Postdoktorandin an der University of California in Davis. „Vom ausgebrachten Kunstdünger kann die Pflanze – und damit unser Essen – nur etwa die Hälfte des Stickstoffs aufnehmen. Die andere Hälfte belastet die Umwelt.“

Könnten wir Mikroben nachahmen, welche die Stickstoffversorgung bestimmter Pflanzen decken, damit wir weniger Stickstoffdünger brauchen?

„Durch den Einsatz nützlicher Mikroben erhoffen wir uns eine Reduzierung der Umweltbelastung und die Chance für Erzeuger, in ökonomischer und ökologischer Hinsicht nachhaltiger zu wirtschaften.“

– Mike Miille, Geschäftsführer von Joyn Bio

Mikrobiome schaffen

In den vergangenen zehn Jahren ist der zeitliche und finanzielle Aufwand, der mit der Analyse, Sequenzierung und Bearbeitung von DNA verbunden ist, enorm gesunken. Dadurch ist ein neuer Industriezweig entstanden: Zellen werden quasi so programmiert, wie das ein Informatiker mit einem Computer tut – die synthetische Biologie.

„Die Biologie basiert auf einem digitalen Code in Form von DNA. In jedem Organismus – also in Ihnen, in mir und in den Pflanzen auf dem Feld – gibt es einen auslesbaren Code, der dem Organismus mitteilt, was er tun soll. Im Prinzip ändert Ginkgo den Code und ermöglicht es den Zellen Neues zu tun“, so Jason Kelly, Mitgründer und Geschäftsführer von Ginkgo Bioworks.

Die Zielsetzung von Joyn Bio gründet auf diesem Ansatz: Mikroskopisch kleine Organismen in die Lage versetzen, neue Dinge zu tun. Und dadurch eine nachhaltige Alternative für synthetischen Stickstoffdünger zu entwickeln.

Der Schwerpunkt dieses neuen Joint Venture liegt auf der Analyse nützlicher Mikroben, die bereits Stickstoff aus der Luft für Pflanzen wie Sojabohnen und Erdnüsse umwandeln, um die daran beteiligten Gene und Prozesse zu verstehen. Wir wollen Möglichkeiten finden, um ähnliche Mikroben zu erzeugen, über die Pflanzen wie Mais, Weizen oder Reis Stickstoff aus der Luft beziehen können. So könnte der Bedarf an synthetischem Dünger drastisch gesenkt werden.

„Der Kernpunkt unserer Arbeit liegt darin, mithilfe von Mikroben den erforderlichen Düngemitteleinsatz der Landwirte signifikant zu reduzieren“, so Miille. „Durch den Einsatz nützlicher Mikroben erhoffen wir uns eine Reduzierung der Umweltbelastung und die Chance für Erzeuger, in ökonomischer und ökologischer Hinsicht nachhaltiger zu wirtschaften.“

Wenn unser neues Unternehmen erfolgreich ist, ist es gut möglich, dass – ähnlich wie man schon heute mit Probiotika die Darmgesundheit fördern kann – unsere wichtigsten Nutzpflanzen in Zukunft von „freundlichen“ Mikroben profitieren werden und den steigenden Bedarf an Essen auf eine nachhaltige Weise befriedigen kann.

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