• Wie Mikroben beim Düngen helfen

    Winzige Stickstofflieferanten für Nutzpflanzen

Pflanzen brauchen Stickstoff, also Dünger. Doch Dünger und dessen Produktion belasten die Umwelt. Deshalb gehen Forscher in Bayers Joint Venture Joyn Bio vollkommen neue Wege. Sie wollen Bakterien erschaffen, die in Zukunft als Stickstofflieferanten für Mais-, Weizen- und Reis-Pflanzen dienen könnten.

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Herausforderung:
Stickstoffdünger und dessen Produktion belasten die Umwelt. Doch die Landwirtschaft braucht den Dünger, um die wachsende Weltbevölkerung zu ernähren.

Lösung:
Bayers Joint Venture Joyn Bio geht vollkommen neue Wege: Die Forscher wollen Bakterien erschaffen, die in Zukunft als Stickstofflieferanten für Mais-, Weizen- und Reis-Pflanzen dienen könnten.

Nutzen:
Bakterien, die verwertbare Stickstoffverbindungen direkt an den Wurzeln der Pflanzen produzieren, könnten den Düngemittelverbrauch um bis zu 40 Prozent verringern.

Er scheint greifbar nah – und ist doch unerreichbar: Elementarer Stickstoff macht zwar 78 Prozent der Luft aus, aber die meisten Pflanzen können das Gas nicht aufnehmen und verarbeiten. Sie benötigen lösliche Stickstoffverbindungen wie Ammonium und Nitrate, um zu wachsen. Daraus holen sich die Pflanzen dann die wichtigen Bausteine für ihre DNA, ihre Proteine und ihr Chlorophyll.

Synthetischer Dünger, hergestellt aus Ammoniak (NH3), ist deshalb heutzutage nicht mehr aus der modernen Landwirtschaft wegzudenken. Neun von zehn Landwirten arbeiten mit Kunstdünger. Ammoniak ist unter den zehn der weltweit am meisten produzierten Chemikalien. 85 Prozent der NH3-Produktion fließen in die Düngemittelherstellung. Den Durchbruch für die moderne Landwirtschaft brachte Anfang des 20. Jahrhunderts das Haber-Bosch-Verfahren, entwickelt von Fritz Haber und Carl Bosch. „Damit gelang es erstmals aus den reinen Elementen Stickstoff und Wasserstoff Ammoniak herzustellen“, sagt Guillaume Barbier, Program Director Nitrogen Fixierung bei Joyn Bio, einem Biotech-Unternehmen mitbegründet von Ginkgo Bioworks und Bayer.

Fluoreszenznachweise

Die besten Bakterien finden: Die Forscher bei Joyn Bio versuchen Mikroben so zu optimieren, dass sie sich als Düngerlieferanten für Nutzpflanzen einsetzen lassen. Fluoreszenznachweise helfen ihnen dabei.

Er und seine Kollegen versuchen, die industrielle Ammoniak-Produktion durch eine biologische und umweltverträglichere Lösung zu ersetzen. Denn: „Das Haber-Bosch-Verfahren und seine Varianten sind sehr energieaufwendig und dementsprechend schädlich für die Umwelt“, sagt Barbier. Etwa zwei Prozent des weltweiten Energiebedarfs fließen in die chemische Ammoniak-Synthese. Stickstoffdünger sind für drei Prozent der globalen Treibhausemissionen verantwortlich. „Im 20. Jahrhundert haben wir zwar gelernt, mit Stickstoffdüngern die wachsende Weltbevölkerung zu ernähren“, sagt Mike Miille, CEO bei Joyn Bio. „Aber der Einsatz von Stickstoffdüngern läuft bis heute nicht effizient. Bis zu 50 Prozent versickern ungenutzt im Boden“, sagt er und formuliert das Ziel von Joyn Bio deshalb so: „Im 21. Jahrhundert wollen wir die Welt nachhaltig und umweltschonend ernähren können.“

Weizen

Weizen für die Weltbevölkerung: Landwirte brauchen Dünger, damit die Nutzpflanze gut gedeiht.

Helfen soll dabei die synthetische Biologie: Mit den Werkzeugen, die dieses neue biologische Fachgebiet bereitstellt, wollen die Wissenschaftler Mikroben für bestimmte Zwecke optimieren. „Wir sind zum Beispiel auf der Suche nach Bakterien, die unsere Nutzpflanzen nachhaltiger mit Stickstoff versorgen als das Chemikalien tun können“, erklärt Miille. Dadurch wollen er und seine Kollegen den Düngemittelverbrauch um bis zu 40 Prozent verringern. „Ganz ohne Dünger auszukommen, ist nach unserem jetzigen Wissensstand allerdings noch nicht möglich“, betont Miille.

In der Natur gibt es bereits Beispiele für talentierte Bakterien: Die artenreiche Familie der Hülsenfrüchtler etwa arbeitet mit Knöllchenbakterien zusammen und lebt mit diesen in einer Symbiose. Die Bakterien siedeln sich an den Wurzeln von Erbsen-, Bohnen- oder Linsengewächsen an und produzieren Stickstoffverbindungen, die die Pflanzen aufnehmen können. So gelingt es diesen, auch auf extrem stickstoffarmen Böden zu gedeihen. Im Gegenzug liefern die Nutzpflanzen ihren kleinen Helfern Nährstoffe. „Wir nehmen einen ähnlichen Nährstoffaustausch zwischen Pflanzen und Mikroorganismen unter die Lupe, der auch in der Natur vorkommt“, sagt Barbier. Und noch viel mehr haben die Forscher im Visier: Das Team von Joyn Bio analysiert mithilfe eines Hochdurchsatz-Verfahrens 150.000 Bakterienstämme aus der Bayer-Bibliothek, die landwirtschaftlichen Böden entnommen wurden.

Wir wollen verstehen, welche Gene und Stoffwechselwege an der Stickstoff-Fixierung beteiligt sind.

„Wir wollen verstehen, welche Gene und Stoffwechselwege an der Stickstoff-Fixierung beteiligt sind. Diesen natürlich vorkommenden biochemischen Prozess möchten wir anschließend in speziell designten Bakterien für Nutzpflanzen wie Getreide optimieren“, erklärt Barbier. Doch das ist eine große Herausforderung für die Bio-Ingenieure: Mindestens 20 Gene scheinen nach heutigem Stand der Forschung verantwortlich für den Umbau von freiem Stickstoff in Ammoniak zu sein. Hinzu kommen noch zahlreiche Stoffwechsel-Nebenwege. „Im nächsten Schritt haben wir uns vorgenommen, die StickstoffProduktion unserer Bakterien zu steigern und sie auf die Bedürfnisse der jeweiligen Nutzpflanzen zu optimieren“, sagt Barbier mit Blick in die Zukunft.

Dünger für die Zukunft: Mit modernsten Analysegeräten untersuchen die Forscher bei Joyn Bio den Bakterien-Stoffwechsel (Foto 1). Mit DesignMikroben wollen Mike Miille (Foto 2) und Guillaume Barbier (Foto 3) Landwirten helfen.
Mike Miille
Guillaume Barbier

Solche Verbesserungen gebe es zwar auch durch zufällige genetische Veränderungen im Erbgut der Bakterien – aber nicht gezielt. „Die Mikroben, die Pflanzen mit Stickstoff versorgen, haben sich seit dem industriellen Einsatz von Düngemitteln in der Natur nicht mehr in diese Richtung weiterentwickeln müssen“, erklärt Barbier. Tatsächlich werden in diesen Bakterien sogar die meisten biochemischen Prozesse, die an der Stickstofffixierung beteiligt sind, durch Fremdstickstoff abgeschaltet. „Unsere Arbeit soll dieser Entwicklung entgegenwirken und der Natur auf die Sprünge helfen. Wir wollen gezielt Mikroben selektieren, die den Pflanzen große Stickstoffmengen zur Verfügung stellen können – und so Dünger einsparen.“

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Etwa die Hälfte der Weltbevölkerung ernährt sich heute von Nahrungsmitteln, die mithilfe von synthetischen Düngern erzeugt wurden.
Quelle: Our World in Data

Darüber hinaus brauchen die Bakterien jedoch weitere Eigenschaften: Einerseits müssen sie sich im Labor gut handhaben lassen, andererseits aber auch für die industrielle Großproduktion geeignet sein. Und sie sollen sich für den Einsatz am Saatgut eignen. „Das bedeutet, die Mikroben müssen lange Zeit ohne Wasser auskommen“, sagt Barbier. Wie ein Mantel sollen sie das Saatgut umhüllen und erst beim Keimen aktiv werden.

Hat das Team von Joyn Bio vielversprechende Bakterien gefunden, wird es nochmals spannend: Was im Labor funktioniert, lässt sich nicht unbedingt auf das freie Feld übertragen. „Wie genau die Pflanzen über ihre Wurzeln mit dem Mikrobiom, also den Bakterien in der unmittelbaren Umgebung im Boden, interagieren, ist für uns heute in großen Teilen immer noch eine ‚Black Box‘“, sagt Barbier. Eine Symbiose wie die von Hülsenfrüchtlern und ihren Bakterien hat sich über Jahrmillionen entwickelt. „So viel Zeit haben wir allerdings nicht, um die großen Herausforderungen unseres Jahrhunderts zu lösen“, sagt Miille. „Nur wenn wir mutig neue Wege gehen, können wir das erreichen.“