Aus Zwei mach Eins

Nicht nur in Deutschland ist die Nitratbelastung durch die Landwirtschaft ein Thema. Der hohe Düngerbedarf und die niedrige Stickstoffeffizienz sind weltweit ein Problem. Der Nassreisanbau ist ein kritisches Beispiel dafür. Ein Forscherteam hat nun einen neuen Dünger speziell für diese Anbauform entwickelt, der die Stickstoffeffizienz deutlich erhöht und somit eine nachhaltigere Alternative darstellt.

Beginnen wir mit einem Kurzausflug in die Pharmazie: Schmerzmittel, Blutdruckregulierer, Hormongaben und Antidepressiva werden oft als Retard-Präparate verschrieben. Als Medikamente, deren Wirkstoffe langsam dosierend freigesetzt werden, um z.B. für eine gleichmäßige, lang anhaltende Versorgung mit dem Therapeutikum zu sorgen oder gefährliche Konzentrationsspitzen im Blut zu verhindern. Forscher haben nun dieses Prinzip auf die Landwirtschaft übertragen und einen Stickstoffdünger entwickelt, der die Stickstoffeffizienz speziell im Nassreisanbau erhöht, Umwelt und Landwirte dadurch entlastet und dabei die Produktivität nicht gefährdet.

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Nahrungsgrundlage für die halbe Welt

Gerade der letzte Punkt ist von Bedeutung, da Reis (Oryza sativa) zu den weltweit wichtigsten Nahrungspflanzen gehört, für jeden Zweiten der Weltbevölkerung das wichtigste Nahrungsmittel überhaupt ist. Aktuellen Zahlen der FAO zufolge wurden weltweit im Jahr 2014 auf über 162 Millionen Hektar Land fast 750 Millionen Tonnen Reis geerntet. Im Durchschnitt entfallen 80 Prozent davon auf den Nassreisanbau, bei dem für jedes Kilogramm Reis bis zu 5.000 Liter Wasser benötigt werden. Reis zählt somit nicht nur zu den wichtigsten Nutzpflanzen der Welt, sondern auch zu den durstigsten. Womit wir bei dem Problem angelangt wären, mit dem sich Nilwala Kottegoda seit Jahren beschäftigt.

Die Reispflanze kommt nicht hinterher

„Mehr als 70 Prozent des Stickstoffs“, erklärt die Forscherin, „den die Reisbauern in Form von Stickstoffdüngern ausbringen, vor allem Urea (Harnstoff), werden nicht von den Reispflanzen aufgenommen, sondern weggeschwemmt, gehen also im Grunde verloren.“ Hintergrund ist, dass die Umwandlung des Stickstoffs in die pflanzenverfügbare Variante (Nitrifikation) zu schnell abläuft, als dass die Reispflanzen die Stickstoffverbindungen rechtzeitig aufnehmen können. Eher werden diese vom Wasser auf den Reisterrassen und den unter Wasser stehenden Feldern weggespült.

Während die Umwelt unter den Folgen der Stickstoffauswaschung zu leiden hat, z.B. durch die Eutrophierung (Überdüngung) von Gewässern, geben Landwirte auf der anderen Seite viel Geld für Dünger aus, der ihren Pflanzen nicht zugutekommt. Für viele Kleinbauern in Entwicklungsländern sei dies eine enorme finanzielle Belastung, erklärt die Forscherin.

Mehr Ertrag mit weniger Dünger

Die Lösung, die sie in jahrelanger Vorarbeit mit ihrem Team entwickelt und nun im Fachmagazin „ACS Nano“ vorgestellt hat, kommt daher wie gerufen. Ihnen ist es gelungen, den erwähnten Harnstoffdünger weiterzuentwickeln und den Anteil der Stickstoffmenge, der von den Reispflanzen am Ende tatsächlich aufgenommen wird, deutlich zu erhöhen. So sehr, dass der durchschnittliche Hektarertrag in Feldversuchen von 7,3 auf 7,9 Tonnen erhöht, die Düngemittelaufwendung dabei auf einen Schlag halbiert werden konnte. Welches Geheimnis steckt hinter dem neuen Dünger?

Partnervermittlung auf Molekülebene

Zunächst einmal handelt es sich bei diesem um einen, wie die Forscher sagen, Nano-Hybriddünger aus Urea [CH₄N₂O] und Hydroxylapatit [Ca₁₀(PO)₄(OH)₂]. Während Urea mit einem Stickstoffanteil von über 46 Prozent als hochkonzentrierter Stickstoffdünger bekannt und weit verbreitet ist, handelt es sich bei Hydroxylapatit um ein Mineral aus der Klasse der Phosphate, Arsenate und Vanadate. Man findet es in verschiedenen Gesteinsschichten, aber auch beim Menschen, wo es die Grundlage der Hartsubstanz von Knochen, Knorpel und Zähnen bildet. Es wird vielseitig in der Biologie, Materialforschung und Medizin als nanotechnologisches Bauteil eingesetzt, kommt bisweilen aber auch in der Landwirtschaft als traditioneller Phosphatdünger zum Einsatz.

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Wie die Bezeichnung Hybrid verrät, handelt es sich bei dem neuen Dünger um eine Kombination aus beiden, ein chemisches Paar also. Dem Hydroxylapatit fällt dabei die Rolle des starken Partners zu, mit dem mehrere Ureamoleküle – im Verhältnis 6:1 – eine chemische Bindung eingehen. Eine Bindung, die nicht auf Dauer, aber etwas längere Zeit ausgerichtet ist, um die Wasserlöslichkeit der Ureamoleküle zu reduzieren und die Nitrifikation zu verlangsamen.

Ein einfaches und schnelles Rezept

Wer sich die Bilder aus dem Elektronenmikroskop anschaut, auf denen nanometerkleine Hydroxylapatitstäbchen zu sehen sind, um die sich die Ureamoleküle wie atomare Perlenketten winden, wird überrascht sein, mit welch einfachen Mitteln es den Forschern gelang, diese Gebilde herzustellen: Sie nahmen ein Reaktionsgefäß, gaben Ureapulver hinzu und lösten es gemeinsam mit Calciumhydroxid [Ca(OH)₂] in destilliertem Wasser auf. Während sich die Masse 45 Minuten lang vermischte, gaben sie tröpfchenweise Phosphorsäure [H₃PO₄] hinzu und rührten die Mixtur für weitere zwei Stunden um. Anschließend trockneten sie das Gemisch bei 60 Grad auf schonende Weise und zerkleinerten die zurückgebliebenen Flocken am Ende zu millimeterkleinen Spänen. Et voilà, fertig war der Dünger.

Beziehungstest im Labor

Um zu testen, ob dieser den Stickstoff tatsächlich stärker an sich band und bei Kontakt mit Wasser langsamer abgab, füllten die Forscher diesen, eingebettet zwischen zwei Schichten gesiebten Rohsand, in einen Glaszylinder. Dieser besaß an beiden Enden Öffnungen, durch die die Forscher destilliertes Wasser pumpten. Zum Vergleich nutzten sie den gleichen Aufbau, nur mit herkömmlichem Ureadünger. In beiden Fällen befanden sich am Anfang 92 Milligramm Stickstoff in der Glassäule, jeweils gebunden im entsprechenden Dünger. Nun mussten die Forscher nur noch warten und auf der Seite, auf der das Wasser wieder austrat, die Stickstoffkonzentrationen messen.

Das Ergebnis: Während 99 Prozent (91 Gramm) des im konventionellen Ureadünger enthaltenen Stickstoffs bereits nach fünf Minuten herausgelöst waren, dauerte dies beim neuen Hybriddünger fast eine Woche (wobei gesagt werden muss, dass auch der neue Hybriddünger nach knapp einer Stunde bereits 86 Prozent (79 Gramm) seines Stickstoffs verloren hatte). Nichtdestotrotz konnte sich der neue Hybriddünger wie erwähnt in mehreren Feldversuchen behaupten, die Stickstoffeffizienz so von 18 auf 48 Prozent erhöht werden.

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Ein Schritt in die richtige Richtung

Zwar steht damit fest, dass auch der neue Dünger nicht in der Lage ist, die Auswaschung von Stickstoff komplett zu verhindern, doch weisen die Ergebnisse der Studie in die richtige Richtung. Hält man sich vor Augen, dass Kottegoda 2011 mit ersten Tests begann, die Herstellung damals noch weitaus aufwendiger war und länger dauerte, Effekte kaum sichtbar waren, ist die Studie nun als Erfolg zu werten. Leider jedoch, so Kottegoda, bleibe die Anwendung zunächst nur auf den Nassreisanbau beschränkt. Zwar könne man den Einsatz bei anderen Nutzpflanzen wie Mais (Zea mays) oder Weizen (Triticum aestivum) grundsätzlich in Erwägung ziehen, doch seien die Anbaubedingungen, Anbausysteme und letztlich auch die Nutzpflanzen zu verschieden, als dass man vorschnell mit ähnlichen Ergebnissen rechnen solle. Trotzdem seien sie gerade dabei, erste Versuche an Teepflanzen vorzubereiten, erklärt die Erstautorin. Tee wird sehr oft an Hanglagen produziert, was den Austrag von Nährstoffen begünstigt.

Vor dem Hintergrund, dass die Nitratbelastung durch die Landwirtschaft seit Längerem auch bei uns in Deutschland ein öffentliches Thema ist, sich mittlerweile sogar zu einem Politikum entwickelt hat, ist die Studie trotz ihres Fokus auf den Reisanbau lesenswert. Schließlich zeigt sie auf, über welche Stellschrauben die Wissenschaft in der Lage ist, das Problem mit der Nitratbelastung in den Griff zu bekommen, ohne auf die dringend benötigten Ertragssteigerungen zu verzichten. Ideal wäre eine passgenaue Versorgung der Pflanzen mit den zum jeweiligen Entwicklungsstadium benötigten Nährstoffen. Das Retard-Prinzip markiert einen wichtigen Schritt in diese Richtung.