Alternative zum Phosphatdünger: Pflanzenkohlebasis steuert die Reaktion der Pflanzen

2. August 2023

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vom Karlsruher Institut für Technologie

Pflanzenkohle wird seit einigen Jahren intensiv als Alternative zum Phosphatdünger untersucht. Pflanzenkohle ist ein Rezyklat, das durch Biomassepyrolyse hergestellt wird, das heißt, organische Rohstoffe werden ohne Sauerstoff bei Temperaturen zwischen 400 °C und 700 °C verbrannt. Die Pflanzenkohle-Grundlagen können sich erheblich unterscheiden. Altholz, Hühnermist oder Laub können zu Düngemitteln verarbeitet werden.

Frühere Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass Pflanzen unterschiedlich auf Pflanzenkohle reagierten. Einige wuchsen besser, andere reagierten, als ob sie überhaupt nicht gedüngt worden wären, und wieder andere waren vom Pflanzenkohledünger sogar berauscht.

Ein interdisziplinäres Team von KIT-Forschern des Joseph-Gottlieb-Kölreuter-Instituts für Pflanzenwissenschaften (JKIP) und des Instituts für Technische Chemie nutzte Tomatensämlinge und fand heraus, dass die Herkunft der Pflanzenkohle-Biomasse entscheidend für die Symbiose mit den dort vorkommenden arbuskulären Mykorrhizapilzen (AM-Pilzen) ist die Erde.

In einem ersten Experiment untersuchte das Team die Wirkung von Biokohlen aus Weizenstroh und Hühnermist. Die Hühnermist-Pflanzenkohle enthielt neunmal so viel Phosphat wie Pflanzenkohle auf Weizenstrohbasis. Phosphat ist die lösliche Form von Phosphor, gebunden an Sauerstoff. Es ist ein Molekül, das für das Wachstum von Pflanzen essentiell ist. „Wie erwartet wuchsen mit Hühnermist-Pflanzenkohle gedüngte Tomatensämlinge schnell und hervorragend“, sagt Professorin Natalia Requena, Expertin für molekulare Phytopathologie am JKIP. „Für die direkte Verarbeitung stand sehr viel Phosphat zur Verfügung.“

In einem zweiten Experiment ließen Forscher AM-Pilze die Tomatenpflanzen besiedeln. Seit mehr als 400 Millionen Jahren leben diese Mikropilze auf der Erde in den Wurzeln von 80 % der Landpflanzen. Sie besiedeln die Rinde, nehmen Phosphat auf und übertragen es auf die Pflanze. Die Pflanze wiederum versorgt sie mit Zucker und Lipiden.

Bei der Beobachtung ausgewählter Moleküle stellten Forscher fest, dass die phosphatreiche Pflanzenkohle auf Basis von Hühnermist diese Symbiose zwischen Tomate und AM-Pilzen beeinträchtigte: Ein molekularer Austausch fand kaum statt. Die auf Weizenstroh basierende Pflanzenkohle bewirkte das Gegenteil: Pflanze und Mikropilz gingen eine aktive Symbiose ein. „Mit Weizenstroh-Pflanzenkohle gedüngte Pflanzen sind auf lange Sicht verträglicher mit anderen Mikroorganismen und deutlich besser vor Krankheitserregern geschützt“, erklärt Requena. „Mit einer so komplexen molekularen Reaktion der Pflanzen haben wir nicht gerechnet.“

Um diese Ergebnisse zu belegen, nutzte das Team eine Genexpressionsanalyse. „Das ist eine komplexe und teure Methode, aber sie ermöglicht uns zu sehen, was in den Genen der Pflanze passiert und welche Marker ausgelöst werden und welche nicht“, sagt Requena. Um die Reaktion der Pflanzen noch besser zu verstehen, sind weitere Experimente erforderlich. „Wenn es uns gelingt, diese Reaktion zu entschlüsseln, können wir Pflanzen langfristig so programmieren, dass sie weniger Phosphat und damit weniger Mineraldünger benötigen“, betont Requena.

Mehr Informationen: David Figueira-Galán et al., Erforschung der synergistischen Wirkungen von Pflanzenkohle und arbuskulären Mykorrhizapilzen auf die Phosphoraufnahme in Tomatenpflanzen mithilfe von Genexpressionsanalysen, Science of The Total Environment (2023). DOI: 10.1016/j.scitotenv.2023.163506

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