Neue Forschungsergebnisse der Norwegischen Universität für Biowissenschaften (NMBU) und des IIASA schlagen vor, Bodenbakterien zu verwenden, um Treibhausgasemissionen aus der Lebensmittelproduktion zu reduzieren.
Stickstoffdüngung führt zu Emissionen des Treibhausgases Distickstoffmonoxid (N₂O) aus landwirtschaftlichen Böden, die einen erheblichen Anteil der gesamten Treibhausgasemissionen aus der Landwirtschaft ausmachen. Lange Zeit wurde angenommen, dass diese N₂O-Emissionen unvermeidbar sind.
Ein internationales Forscherteam unter der Leitung der Norwegischen Universität für Biowissenschaften hat nun eine Methode entdeckt, um diese Emissionen zu reduzieren. Sie haben Bakterien identifiziert, die Distickstoffmonoxid „verbrauchen“ können, wenn es im Boden entsteht, und so verhindern, dass das Gas in die Atmosphäre entweicht. Die Forscher glauben, dass allein diese Methode das Potenzial hat, die landwirtschaftlichen Distickstoffmonoxidemissionen in Europa um ein Drittel zu reduzieren.
Pflanzen brauchen viel Stickstoff, um zu wachsen. Eine produktive Landwirtschaft erfordert daher eine reichliche Versorgung mit Stickstoffdünger. Dies war ein Engpass in der Landwirtschaft, bis Fritz Haber Pionierarbeit für die Technologie zur industriellen Herstellung von Stickstoffdünger aus atmosphärischem Stickstoff leistete. Diese Technologie hat 120 Jahre lang dazu beigetragen, dass die weltweite Nahrungsmittelproduktion mit dem Bevölkerungswachstum Schritt halten konnte.
Allerdings gibt es Mikroorganismen im Boden, die das Treibhausgas N₂O produzieren, und Düngung stimuliert diese Produktion.
„Dieses Treibhausgas hat eine etwa 300-mal stärkere Wirkung als CO₂, und die Landwirtschaft ist für etwa drei Viertel der europäischen N2O-Emissionen verantwortlich“, erklärt Wilfried Winiwarter, einer der Koautoren der Studie und leitender Forscher in der Pollution Management Research Group des IIASA Energy, Climate, and Environment Program.
„Außerdem ist die Landwirtschaft weltweit die Hauptquelle von Lachgas in der Atmosphäre. Lachgasemissionen werden hauptsächlich durch Bodenbakterien reguliert, was Reduzierungsbemühungen aufgrund ihrer schwer fassbaren Natur schwierig macht“, fügt er hinzu.
Forscher der NMBU betreiben seit über 20 Jahren Grundlagenforschung darüber, wie Mikroorganismen im Boden Stickstoff umwandeln. Sie haben unter anderem gründlich untersucht, was passiert, wenn den Mikroben nicht genügend Sauerstoff zur Verfügung steht, ein Zustand, der Hypoxie genannt wird.
Wenn gedüngt wird (und während Regenfällen), werden einige Teile des Bodens hypoxisch. Da die Mikroben dann keinen Sauerstoff mehr haben, sind sie gezwungen, andere Wege zu finden, um Energie zu gewinnen. Viele Mikroben können Nitrat anstelle von Sauerstoff verwenden und durch einen Prozess namens Denitrifikation wandeln sie das Nitrat in andere Gase um. Eines davon ist Lachgas, und auf diese Weise tragen die Mikroorganismen zu Treibhausgasemissionen bei.
Die Forscher haben bedeutende Entdeckungen hinsichtlich der Regulierung dieses Prozesses gemacht und eine einzigartige Methode zur Untersuchung der Denitrifikation entwickelt. Sie verwenden unter anderem Roboterlösungen sowohl im Labor als auch im Feld und haben einen speziellen Roboter entwickelt, der in Echtzeit Messungen der Lachgasemissionen aus dem Boden durchführen kann.
Die Lösung zur Reduzierung der N₂O-Emissionen besteht in der Verwendung einer speziellen Bakterienart, die zwar kein Lachgas produzieren kann, Lachgas jedoch zu harmlosem Stickstoffgas (N₂) reduzieren kann.
„Wenn wir diese Mikroben in organischen Abfällen züchten, die als Dünger verwendet werden, können wir die N₂O-Emissionen reduzieren. Dies könnte eine Lösung für das Problem der N₂O-Emissionen aus der Landwirtschaft bedeuten“, sagt Lars Bakken, Hauptautor der Studie und Professor an der NMBU.
„Aber es war nicht einfach, das richtige Bakterium zu finden. Es muss in organischen Abfällen schnell wachsen, im Boden gut funktionieren und lange genug überleben, um die N₂O-Emissionen während einer gesamten Wachstumsperiode zu reduzieren. Es war auch eine Herausforderung, von der Erprobung im Labor zur Erprobung in der Natur überzugehen und sicherzustellen, dass es die N₂O-Emissionen im Feld tatsächlich reduziert“, fügt Bakken hinzu.
Das Forschungsteam arbeitet nun daran, weitere Bakterien zu finden, die Lachgas verbrauchen, und diese in verschiedenen Arten von organischen Abfällen zu testen, die weltweit als Düngemittel verwendet werden. Das Ziel ist es, eine breite Palette von Bakterien zu finden, die in verschiedenen Bodenarten und mit verschiedenen Düngemittelmischungen funktionieren können.
