DAS STICKSTOFF-DILEMMA
Rund ein Drittel des seegestützten Düngemittelhandels weltweit wird über die Straße von Hormus abgewickelt. Durch die Blockade des Iran und später auch durch die USA war dieser Weg im März und April allerdings kaum noch passierbar, was Lieferketten abreißen ließ und auch stickstoffbasierte mineralische Düngemittel verteuerte. Das traf auch die EU, die 30 Prozent ihres Stickstoffbedarfs importieren muss. Handelsorganisationen und Hilfswerke warnten vor den weltweiten Folgen für die Landwirtschaft, insbesondere für ärmere Regionen in Afrika, Asien und Südamerika. Aber warum ist das Element mit dem chemischen Symbol „N“ auch in der Pflanzenforschung so wichtig?
„Stickstoff ist der Nährstoff, den die Pflanze am meisten benötigt“, sagt Ricardo Giehl, Leiter der Arbeitsgruppe „Molekulare Pflanzenernährung“. Stickstoff wird in der Landwirtschaft als Dünger eingesetzt, um Nährstoffe zuzuführen und die Bodenfruchtbarkeit zu erhalten. Er ist ein unverzichtbarer Bestandteil wichtiger Biomoleküle – von der DNA über Chlorophyll bis hin zu allen Proteinen. Er ist vor allem wichtig, weil er einen großen Effekt auf den Ertrag hat.
- Bild: IPK Leibniz-Institut/R. Giehl und N. Narisetti
Eine unzureichende Stickstoffversorgung hemmt das Pflanzenwachstum und führt bei Kulturpflanzen wie Gerste zu einer Gelbfärbung älterer Blätter.
Stickstoff bringt allerdings auch einige Probleme mit sich. Bei zu intensiver Nutzung kann er Ökosysteme überlasten, natürliche Kreisläufe stören und somit zu Umweltproblemen führen. Ein entscheidender Faktor dafür ist die Landwirtschaft.
Ein Meilenstein für die Herstellung von synthetischem Dünger in großem Maßstab markiert das Haber-Bosch-Verfahren, das Anfang des 21. Jahrhunderts von den deutschen Chemikern Fritz Haber und Carl Bosch entwickelt wurde. Im Kern geht es darum, unter hohem Druck (bis 300 bar) und hoher Temperatur (bis 500°C) aus Wasser und Stickstoff aus der Luft Ammoniak herzustellen. Ammoniak ist dann der Ausgangsstoff für die Herstellung chemischer Verbindungen wie Nitrat, Ammonium und Harnstoff, die von Pflanzen aufgenommen werden können.
Natürlich lässt sich auch der Dünger verbessern, aber unser Ansatzpunkt ist die Pflanze, bei der wir noch sehr viel Verbesserungspotenzial sehen.
Ricardo Giehl
Doch der Aufwand ist gewaltig. Für die Herstellung von Stickstoffdünger werden nach Schätzungen bis zu zwei Prozent der weltweiten Energie und drei bis fünf Prozent des weltweiten Erdgases verbraucht. Und die Landwirtschaft hat einen sehr hohen Bedarf. „Weizen braucht unter Hochertragsbedingungen bis zu 250 Kilogramm pro Hektar“, so Ricardo Giehl. Das hat Folgen. Laut Umweltbundesamt gelangen mehr als 50 Prozent der reaktiven Stickstoffverbindungen in Deutschland über die Landwirtschaft in die Umwelt. „Die Herausforderung besteht also darin, Mechanismen und Wege zu finden, um mit weniger Dünger weiterhin hohe Erträge in unverändert hoher Qualität zu erzielen.“ Daran wird am Institut in gleich mehreren Arbeitsgruppen geforscht.
„Letztendlich geht es um die Züchtung neuer Pflanzen, die Stickstoff besser und effizienter aufnehmen können“, erklärt Ricardo Giehl. Dazu kann entweder die Aufnahmekapazität erhöht oder der Kontakt der Wurzel zum vorhandenen Stickstoff im Boden verbessert werden . „Das ist der Punkt, an dem unsere Arbeitsgruppe, aber auch die von Hannah Schneider, ansetzen und wir uns mit der Physiologie, der Architektur und der Struktur des Wurzelsystems beschäftigen“, erklärt der IPK-Forscher. „Pflanzen verfügen über Mechanismen, um die Stickstoffverfügbarkeit im Boden zu erkennen und darauf zu reagieren, doch oft sind diese nicht optimal darauf ausgerichtet, den auf die Felder ausgebrachten Dünger effizient aufzunehmen.“
- Bild: IPK Leibniz-Institut/L. Wu
Die Forschung am IPK untersucht, wie die Stickstoffaufnahme genetisch verbessert werden kann. Die Bilder zeigen, wie das Wurzelwachstum in dem Bereich mit Stickstoffdünger (gestrichelter
Rahmen) angeregt wird. Zur automatischen Analyse Tausender Wurzelbilder wird ein KI Verfahren eingesetzt.
Welchen Einfluss Stickstoff auf die Veränderung der Wurzelarchitektur hat, untersuchen Ricardo Giehl und seine Kolleginnen und Kollegen im Projekt SMARTROOT, das bis 2028 läuft und vom Bundesministerium für Landwirtschaft, Ernährung und Heimat gefördert wird. Dazu nutzen sie auch die PhänoSphäre des IPK. In Wurzelschaukästen, sogenannten Rhizotronen, kann das Wachstum der Wurzeln genau beobachtet und dokumentiert werden. Später wird der Stickstoffgehalt im Spross gemessen. Der Sonderforschungsbereich „Plant Proteoform Diversity“, an dem auch die IPK-Arbeitsgruppe „Molekulare Pflanzenernährung“ beteiligt ist, untersucht in einem Teilprojekt eine Proteinvariation, die wichtig für das Wurzelwachstum unter wenig Stickstoff ist.
Doch es gibt auch schon konkrete Ergebnisse: Erst kürzlich hat ein Forschungsteam unter Beteiligung des IPK bei der Modellpflanze Arabidopsis einen molekularen Mechanismus entdeckt, mit dem Pflanzen ihr Wurzelwachstum so anpassen, dass Nitratvorkommen im Boden besser erreicht und genutzt werden können. Die im Fachmagazin „Nature Plants“ veröffentlichten Ergebnisse eröffnen neue Perspektiven für eine nachhaltige Landwirtschaft. Aber die braucht es auch, der Handlungsdruck ist angesichts der vielen Probleme enorm.
So war der Stickstoffüberschuss der Landwirtschaft in der Vergangenheit so hoch, dass der Zielwert der Nationalen Nachhaltigkeitsstrategie klar verfehlt wurde. Immerhin: 2023 gelang es erstmals, den Überschuss im Durchschnitt von fünf Jahren auf 70 Kilogramm pro Hektar zu begrenzen.
Das grundsätzliche Problem aber bleibt. Stickstoffdünger, der auf dem Acker nicht durch die Pflanzen aufgenommen wird, gelangt in Grund- und Oberflächengewässer. Dort gefährdet er als Nitrat unser Grundwasser und trägt zur Eutrophierung bei, also zu einer Überversorgung mit Nährstoffen.
- Bild: IPK Leibniz-Instititu/S. Balyberdin
Nitrat ist im Boden sehr mobil und kann insbesondere im Herbst nach der Ernte und bei starken Niederschlägen mit dem Sickerwasser in das Grundwasser verlagert werden. Im Grundwasser - und in der Folge im Trinkwasser - kann Nitrat unter bestimmten Bedingungen in das gesundheitlich bedenkliche Nitrit umgewandelt werden. Der Grenzwert für Nitrat im Trinkwasser wurde deshalb 1991 EU-weit auf 50 mg/l festgelegt. Auswertungen der Daten zum Nitratgehalt an 1.147 Messstellen haben für das Jahr 2024 ergeben, dass 15,7 Prozent der Messstellen teilweise deutlich höhere Werte als 50 mg/l meldeten. Dieses Grundwasser kann nicht ohne Weiteres zur Trinkwassergewinnung genutzt werden.
Stickstoffverbindungen gelangen mit dem Grundwasser und aus Abschwemmungen von landwirtschaftlich genutzten Flächen auch in die Oberflächengewässer. In Flüssen, Seen und Meeren kommt es dadurch zu erhöhten Nährstoffgehalten. Das führt zu einer Steigerung der pflanzlichen Primärproduktion, etwa bei Algen, und kann einen massiven Sauerstoffmangel in den Gewässern zur Folge haben.
Eine überhöhte Düngemittelgabe kann letztlich aber auch zu einer beschleunigten Bodenversauerung beitragen. Damit verbunden sind Veränderungen der Bodenstruktur und der Lebensbedingungen für Bodenmikroorganismen. Das hat nach Angaben des Umweltbundesamtes Einfluss auf die Bodenfruchtbarkeit, die Erträge und die Qualität pflanzlicher Produkte. Die Herausforderungen sind also nicht nur für Landwirte und Ökologen, sondern auch für die Wissenschaft groß.
Die Herausforderung besteht also darin, Mechanismen und Wege zu finden, um mit weniger Dünger weiterhin hohe Erträge in unverändert hoher Qualität zu erzielen.
Ricardo Giehl
Daher wird das Thema auch beim Internationalen Symposium („Nitrogen 2026“) diskutiert, das vom 23. - 27. August 2026 am IPK stattfindet. Dort vertreten sind die international führenden Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, die sämtliche Facetten des Themas abdecken. Es geht um Stickstoff im Boden und in Gewässern, aber vor allem um genetische Aspekte und molekulare Prozesse der Stickstoffaufnahme und des Stickstoffwechsels bei Pflanzen. „Natürlich lässt sich auch der Dünger verbessern, aber unser Ansatzpunkt ist die Pflanze, bei der wir noch sehr viel Verbesserungspotenzial sehen“, sagt Ricardo Giehl.
„Unsere Fähigkeit, viele der UN-Ziele für nachhaltige Entwicklung zu erreichen, ist sehr eng verbunden mit einem verbesserten Einsatz von Stickstoffdüngern und der Ausweitung des Angebots an proteinreichen Lebensmitteln, die meist aus pflanzlichen Rohstoffen gewonnen werden“, sagt Nicolaus von Wirén, Geschäftsführender Direktor des IPK und Vorsitzender des Organisationskomitees, dem neben ihm auch Ricardo Giehl und Hannah Schneider angehören.
Das Stickstoff-Dilemma wird also auch die Expertinnen und Experten im August am IPK beschäftigen.
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