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Forscherinnen und Forscher der University of Massachusetts Amherst und der Jiangnan University berichten über eine feldgetestete Technik, die es Landwirtinnen und Landwirten ermöglichen könnte, deutlich weniger Stickstoffdünger im Reisanbau einzusetzen, ohne Ertragsverluste hinzunehmen — und gleichzeitig die Kornqualität, die Bodengesundheit und klimapolitische Auswirkungen zu verbessern. Die Innovation: ein nanoskaliges Selen-Spray, das auf Reispflanzen appliziert wird, die Photosynthese und Stickstoffaufnahme fördert und in realen Reispaddies Treibhausgasemissionen reduziert.
Die Forschenden fanden heraus, dass nanoskalige Selen-Sprays den Düngermitteleinsatz im Reisanbau drastisch reduzieren können, während Erträge erhalten bleiben und die Bodenqualität gestärkt wird. Der Ansatz steigert die Photosynthese, verbessert die Stickstoffnutzungseffizienz (NUE) und reduziert in Feldversuchen deutlich die Emissionen von landwirtschaftlichen Treibhausgasen.
Warum Düngereffizienz für die weltweite Reisproduktion wichtig ist
Die Grüne Revolution erhöhte die weltweite Nahrungsmittelproduktion maßgeblich durch den großflächigen Einsatz synthetischer Stickstoffdünger. Diese Produktivität brachte jedoch ökologische und ökonomische Kosten mit sich. Die Herstellung von Stickstoffdünger ist energieintensiv und mit CO2-Emissionen verbunden; nach der Ausbringung gelangt ein erheblicher Anteil des Stickstoffs nicht in die Pflanzen, sondern geht als Nährstoffverlust in Wasserläufe oder als gasförmige Emissionen verloren. Die typische Stickstoffnutzungseffizienz (NUE) vieler Getreidearten liegt im Bereich von 40–60 %; beim Reis liegt sie häufig deutlich niedriger — in vielen Systemen bei rund 30 %, was bedeutet, dass bis zu 70 % des ausgebrachten Düngers als Verlust auftreten können. Diese Ineffizienz führt zu wirtschaftlichen Einbußen für Landwirtinnen und Landwirte und verschärft Umweltprobleme wie Eutrophierung, Grundwasserverschmutzung und Treibhausgasemissionen.
„Wir wissen, dass die NUE verbessert werden muss“, erklärt Baoshan Xing, University Distinguished Professor für Umwelt- und Bodenkunde und Co-Seniorautor der Studie. Die neue, multi-institutionelle Forschung, die von der UMass Amherst und der Jiangnan University gemeinsam geleitet wurde, begegnet dieser Herausforderung mit einem agrartechnologischen Ansatz auf der Grundlage von Nanomaterialien, der in realen Reispaddies getestet wurde — nicht nur im Labor.
Baoshan Xing, University Distinguished Professor of Environmental and Soil Chemistry, director of UMass’ Stockbridge School of Agriculture. Credit: University of Massachusetts Amherst
Ergebnisse der Feldversuche: Weniger Dünger, gleiche oder bessere Erträge
In Feldexperimenten ermöglichte eine leichte Blattspritzung der Reispflanzen mit einer Suspension von Selen-Nanopartikeln den Forschenden, den Stickstoffdüngereinsatz um 30 % zu reduzieren, während die Ertragsleistung erhalten blieb und in einzelnen Messgrößen sogar verbessert wurde. Das Team setzte Drohnen zur Ausbringung des Nano-Selens auf Blattflächen und Stängel ein, was im Vergleich zur Bodenapplikation eine effizientere direkte Aufnahme über die Pflanzenteile fördert.
(a) Reis, der Selen erhielt und 30 % weniger Dünger (RF+ Se ENMs), ist deutlich kräftiger als Reis mit reduzierter Düngung (RF) und vergleichbar mit konventionell angebautem Reis (CK). (b) Feldversuch zur Messung der Treibhausgasemissionen von Reis mit Nano-Selen-Behandlungen.
Zu den wichtigsten empirischen Befunden gehörten:
- Eine Steigerung der photosynthetischen Aktivität um mehr als 40 % nach der Nano-Selen-Behandlung — das heißt, die Pflanzen fixierten deutlich mehr atmosphärisches CO2 in Form von Kohlenhydraten.
- Eine Verbesserung der Stickstoffnutzungseffizienz von etwa 30 % auf rund 48,3 %, wodurch der Bedarf an synthetischen Düngerinputs reduziert wurde.
- Eine Verringerung der Emissionen von Distickstoffoxid (N2O) und Ammoniak (NH3) um 18,8–45,6 %, was bedeutende Beiträge zu landwirtschaftlichen Treibhausgasen einsparte.
- Höherer Proteingehalt im Korn, gesteigerte Konzentrationen mehrerer essentieller Aminosäuren und ein erhöhter Selengehalt — ein potenzieller ernährungsphysiologischer Vorteil in Regionen mit Selenmangel in der Bevölkerung.
(a) Einer der Versuchsfelder in Kunshan City, China; (b) und (c) Vergleich von Ertrag und Korngewicht von konventionell angebautem Reis (CK), Reis mit 30 % weniger Dünger (RF) und Reis mit 30 % weniger Dünger plus Nano-Selen (RF+Se ENMs).
Wie Nano-Selen wirkt: Pflanzenphysiologie und Bodenmikrobiologie
Die Forschenden schlagen einen gekoppelten Pflanzen–Mikroben-Mechanismus vor. Selen in nanoskaliger Form scheint die photosynthetischen Prozesse der Reispflanze zu stimulieren: Blattgewebe produziert mehr assimilierbare Kohlenhydrate. Diese zusätzlichen Zucker werden in die Wurzelzone transportiert, was Wurzelwachstum und die Ausscheidung organischer Wurzelexsudate fördert. Reichhaltige Wurzelexsudate dienen als Nährstoffquelle für bodenbewohnende, nützliche Mikroorganismen — Mikroben, die wiederum die Fähigkeit der Pflanze erhöhen, anorganischen Stickstoff und Ammonium aus dem Boden aufzunehmen.
Durch diese Wechselwirkung verbessert sich die Stickstoffassimilation in das Pflanzengewebe (höhere NUE), weitergehende Stickstoffverluste in Wasser und Luft werden reduziert, und die Bodenmikrobiom-Struktur verschiebt sich hin zu größerer Diversität und Funktionalität. Dieser Kaskadeneffekt hat sowohl agronomische als auch ökologische Konsequenzen: Landwirtinnen und Landwirte geben weniger Geld für Düngemittel aus, während die Felder weniger klimaschädliche Gase ausstoßen.
Auf zellulärer Ebene deuten Messungen auf mehrere plausible Effekte hin: eine Zunahme von Chlorophyllgehalt und Photosyntheserate, mögliche Modulation von Enzymen wie Rubisco und Nitratreduktase, sowie eine veränderte Verteilung von Kohlenstoff zwischen Spross und Wurzel. Auf mikrobieller Ebene wurden in ähnlichen Studien häufig Verschiebungen in der Balance von Nitrifikations- und Denitrifikationsgemeinschaften beobachtet, was die N2O-Emissionen beeinflussen kann. Die Feldstudie selbst dokumentierte eine Verschiebung zu Mikroben-Gruppen, die mit effizienterer N-Mineralisierung und besseren Nährstoffkreisläufen assoziiert sind.
Auswirkungen auf nachhaltige Landwirtschaft und Klimaziele
Reis verbraucht weltweit schätzungsweise 15–20 % des synthetisch produzierten Stickstoffdüngers. Eine skalierbare Technologie, die den Düngemittelbedarf in Reissystemen um 30 % reduziert, dürfte daher sowohl die Emissionen aus der Düngemittelproduktion als auch die feldbezogenen Treibhausgasemissionen substanziell senken. Die ökonomischen Vorteile sind insbesondere für Kleinbauern bedeutsam: In den Versuchen berichteten die Forschenden von einem wirtschaftlichen Vorteil pro Tonne Ernte von etwa 38,2 % gegenüber konventionellen Praktiken, wenn Einsparungen bei Inputs und erhaltene Erträge einberechnet werden.
Neben ökonomischen Effekten gibt es gesundheitliche Aspekte: Selen ist ein essentielles Spurenelement für den Menschen, und die Biofortifizierung von Reis durch sichere Selen-Konzentrationen im Korn kann in Regionen mit Selenmangel die Ernährungsqualität der Bevölkerung verbessern. Gleichzeitig muss jede großflächige Anwendung von Selen streng überwacht werden, da Selen eine vergleichsweise enge Bandbreite zwischen notwendiger und toxischer Dosis besitzt. Eine Überschreitung kann phytotoxische Effekte verursachen oder die Nahrungskette belasten.
Fachliche Bewertung und Expertenmeinung
„Die Studie ist überzeugend, weil sie über kontrollierte Gewächshausversuche hinaus in echte Paddies geht“, kommentiert Dr. Anna Lopez, Bodenökologin mit zwei Jahrzehnten Erfahrung in Reissystemen. „Verbesserte Photosynthese, stärkeres Wurzelwachstum und messbare Rückgänge bei N2O in Feldversuchen sprechen dafür, dass dies ein praktikables Werkzeug für Landwirte sein könnte. Der nächste Schritt sind mehrjährige Versuchsreihen in unterschiedlichen Klimaregionen und eine sorgfältige Überwachung von Boden- und Kornselen-Konzentrationen.“
Expertinnen und Experten betonen, dass ausreichend dokumentierte Felddaten, standardisierte Dosierungen und präzise Anwendungstechniken Voraussetzung für eine verantwortungsvolle Skalierung sind. Die Integration mit bestehender präzisionslandwirtschaftlicher Technologie — z. B. teilflächenspezifische Düngung und gezielte Blattapplikation — kann die Effizienz weiter erhöhen und Risiken mindern.
Zukunftsaussichten, Risiken und nächste Schritte
Die Feldvalidierung ist eine zentrale Stärke der Arbeit, doch eine großflächige Einführung erfordert die Beachtung mehrerer Faktoren: die Kosten und Logistik der Produktion stabiler Selen-Nanopartikel, sichere und standardisierte Applikationsprotokolle (Drohnen erlauben Präzision, setzen jedoch Investitionen voraus), sowie rechtliche Rahmenbedingungen, die den Einsatz von Nanomaterialien und Mikronährstoff-Fortifikationen regeln. Langfristige Monitoring-Programme für Bodenmikrobiome und den Selenkreislauf sind essenziell, um unbeabsichtigte ökologische Auswirkungen frühzeitig zu erkennen.
Weitere relevante Fragestellungen umfassen die Abbaurate und Persistenz nanoskaliger Selenpartikel im Boden, mögliche Wechselwirkungen mit anderen Agrochemikalien, sowie die Variabilität der Effekte auf unterschiedliche Reissorten, Bodenarten und Anbausysteme (z. B. Trockenreisanbau vs. geflutete Paddies). Langfristdaten sind notwendig, um zu prüfen, ob die anfänglichen Vorteile über mehrere Vegetationsperioden stabil bleiben oder ob es kumulative Effekte gibt, die regulativ und agronomisch adressiert werden müssen.
Verwandte Technologien wie zielgerichtete Blattdüngung (foliar sprays), precision-fertilizer-management (Teilflächen-Düngeoptimierung) und integrierte Schädlings- sowie Nährstoffmanagementsysteme könnten mit Nano-Selen-Behandlungen kombiniert werden, um nachhaltigere Reissysteme zu entwickeln. Wird der Ansatz breit getestet und verantwortungsvoll umgesetzt, kann er einen Beitrag zur Klimaminderung, zur Senkung der Produktionskosten für Landwirte und zur Verbesserung der ernährungsphysiologischen Qualität eines Grundnahrungsmittels für Milliarden von Menschen leisten.
Schlussfolgerung
Die foliar applizierte Nano-Selen-Behandlung ist eine vielversprechende, feldgetestete Strategie zur Reduzierung der Abhängigkeit von Stickstoffdünger im Reisanbau, ohne dabei Erträge zu opfern — gleichzeitig werden Nährstoffgehalte im Korn erhöht und Treibhausgasemissionen reduziert. Die breitere Umsetzung erfordert jedoch sorgfältige Bewertungen in Bezug auf langfristige Umweltverträglichkeit, Produktionslogistik, rechtliche Rahmenbedingungen und regionale agronomische Parameter. Die bisherigen Befunde deuten darauf hin, dass Nano-Selen einen praktischen Beitrag zu nachhaltigeren Reissystemen leisten kann, wenn Risiken minimiert und Anwendungen standardisiert werden.
Zusammenfassend zeigt die Studie technologische Innovationen in der Agrarwissenschaft auf: Sie verbindet Nanotechnologie, Pflanzenernährung, Bodenbiologie und präzisionslandwirtschaftliche Methoden, um ökologische und ökonomische Ziele gleichzeitig zu adressieren. Für Entscheidungsträgerinnen, Forschungseinrichtungen und Landwirte ergeben sich daraus praxisnahe Handlungsfelder: weitere Feldversuche in unterschiedlichen Klimaregionen, Kosten-Nutzen-Analysen, regulatorische Evaluierungen und Kommunikationsstrategien für eine sichere Implementierung.
Quelle: scitechdaily
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