Gelingt der Forschung eine zweite Stickstoff-Revolution?

Stickstoff ist essenziell für den Stoffwechsel und das Wachstum von Pflanzen. Weil das Element in der Natur schlecht verfügbar ist, düngen Landwirte ihre Felder mit Stickstoff in gut zu verwertender Form. Pflanzenzüchter arbeiten daran, dass Pflanzen den Nährstoff besser aufnehmen können.

Es war vor ziemlich genau 100 Jahren eine kleine Revolution, als Fritz Haber und Carl Bosch ein chemisches Verfahren entwickelten, mit dem sich preiswert in industriellem Maßstab Ammoniak herstellen lässt. Aus Stickstoff und Wasserstoff erzeugt das nach ihren Entdeckern benannte Haber-Bosch-Verfahren ein stechend riechendes, farbloses Gas, das die Landwirtschaft verändert hat. Ammoniak, chemisch NH3, bildet den Ausgangsstoff für Stickstoff basierte Düngemittel: Harnstoff, Ammoniumnitrat, -phosphat und -sulfat.Pflanzen benötigen Stickstoff für ihren Stoffwechsel, vor allem als Bestandteil ihrer Eiweiße. Steigt die Menge des verfügbaren Stickstoffs, erhöhen sich auch die Atmung und das Wachstum der Pflanze. Doch Stickstoff ist für höhere Organismen nicht so leicht verfügbar. Zwar besteht die Luft zu 78 Prozent aus elementarem Stickstoff (N2), doch den können die meisten Pflanzen nicht binden und verwerten. Sie sind auf reaktionsfreudigere Stickstoffverbindungen wie Nitrat (NO3-) oder Ammonium (NH4+) angewiesen – oder auf die Hilfe von Bakterien.

Symbiose von Hülsenfrüchtlern und Bakterien

Hülsenfrüchtler, so genannte Leguminosen, leben in einer Zweckgemeinschaft (Symbiose mit bestimmten Bakterien, den Rhizobien. Sind diese Bakterien im Boden vorhanden, bilden die Hülsenfrüchtler an ihren Wurzeln Knöllchen, die den Rhizobien als Lebensraum dienen. Dort verlieren diese ihre äußere Membran und werden dann Bakterioide genannt. Anders als Pflanzen können sie elementaren Stickstoff direkt aus der Luft binden – solange sie in Symbiose mit den Hülsenfrüchtlern leben. Denn das bakterielle Enzym Nitrogenase, das für die Reaktion mit Stickstoff sorgt, arbeitet nur in Abwesenheit von Sauerstoff, während die Bakterien selbst nicht gänzlich ohne Sauerstoff leben können. Diese delikate Balance ermöglichen die Wurzelknöllchen, in die nur eine geringe Menge Sauerstoff eindringt, sowie der Umstand, dass der eingedrungene Sauerstoff bereits an der Zellmembran der Bakterien verbraucht wird.

Erbsenpflanzen auf dem Feld (Quelle: iStockphoto®).

Was hat die Pflanze davon? Wenn die Rhizobien den elementaren Stickstoff verarbeiten, entsteht dabei Ammoniak. Das kann die Pflanze verwerten, was sie auch sofort tut, indem sie es nutzt, um Aminosäuren zu bilden. Ammoniak ist ein starkes Zellgift, dessen Anhäufung die Zelle unbedingt vermeiden muss.

Wegen der strengen Vorgaben hinsichtlich des Düngens haben Leguminosen als Zwischenfrucht große Bedeutung für viehlos wirtschaftende Ökolandwirte, deren Pflanzen sonst nur wenig Stickstoff zur Verfügung haben. Geschätzte 120 Millionen Tonnen Stickstoff werden jährlich durch die Symbiose von Leguminosen und Rhizobien gebunden und verbessern die Böden. Stickstoff bindende Bakterien sind damit ein wesentlicher Bestandteil des Stickstoffkreislaufs.

Frei lebende Stickstoff fixierende Bakterien

Seit den 1980er Jahren ist bekannt, dass es noch weitere Bakterien gibt, die molekularen Stickstoff verwerten können, jedoch frei und ohne Symbiose im Wurzelraum von Pflanzen leben. Weil Leguminosen weniger als zehn Prozent aller Kulturpflanzen ausmachen, ist dies ein wichtiger Ansatz für die Pflanzenzüchtung. Denn so bedeutsam das Haber-Bosch-Verfahren und die darüber erzeugten Stickstoffdünger für die Welternährung sind: Es gibt dabei auch Schattenseiten. Die Synthese verbraucht eine Menge Energie, es entstehen Treibhausgase, und auch auf dem Feld bildet sich über den Stickstoffdünger Lachgas, das sowohl Klima als auch Ozonschicht schädigt. Davon abgesehen können sich die Landwirte in den meisten Entwicklungsländern derartigen Dünger nicht leisten. Biologische Lösungen für das Problem der Stickstoffversorgung der Pflanze wären daher dort wie bei uns wünschenswert.

Überraschend weitere Stickstoffquelle gefunden

2008 haben Forscher der Universität Bern neben den beiden Stickstoff bindenden Bakteriengruppen noch eine dritte biologische Stickstoffquelle der Pflanzen nachgewiesen: Eiweiße, die sich frei im Boden befinden und Stickstoffverbindungen enthalten. Viele Pflanzen können anscheinend diese Eiweiße aufnehmen und verwerten oder über die Wurzeln Enzyme ausscheiden, die die Eiweiße außerhalb der Pflanze abbauen und die verwertbaren Stickstoffverbindungen freisetzen. Wie groß die Bedeutung dieser Proteine für den pflanzlichen Stoffwechsel ist, gilt bislang jedoch als unklar.