Biologische Abbaubarkeit und Interaktionen mit Pflanzen sowie Mikroorganismen

Das FocusLab greenRelease verfolgt das Ziel, den allgemeinen Einsatz von Agrochemikalien zu reduzieren. Dies soll durch eine präzisere sowie effektivere Applikation von Wirkstoffen erfolgen, welche die Umweltbelastung bei fortwährend gleichem Pflanzenschutz verringert. Dieses Konzept erfordert neben der Validierung seiner Wirksamkeit auch eine Überprüfung der Biokompatibilität und Nachhaltigkeit.

Ein Teil der Biokompatibilität ist das Testen des gesamten Produkts, des Wirkstoffs (in unserem Testfall Kupfersalze) und der Komponenten des Gels bezüglich ihrer Auswirkungen auf das Pflanzenwachstum. Letztendlich soll das Pflanzenwachstum durch den abgegebenen Wirkstoff gefördert werden, jedoch soll das greenRelease Abgabesystem selbst das Pflanzenwachstum nicht beeinflussen. Um mögliche Effekte, die eher gering sein können, zu testen, ist es sinnvoll, das Wachstum von Pflanzen mit großem Stichprobenumfang in einer kontrollierten Umgebung vor und nach der Applikation von Testsubstanzen zu beobachten. Innerhalb der CG Schurr am FZJ gibt es Möglichkeiten, solche Experimente mit Hilfe von Hochdurchsatz-Phänotypisierungsanlagen wie dem "ScreenHouse" durchzuführen (Abb. 1).

Die Anlage kann mithilfe eines Portalkrans regelmäßig bis zu 120 Pflanzen zwischen ihren Plätzen auf dem Anzuchttisch und der Fotostation hin und her transportieren und fotografieren. Aus den Bildern wird die projizierte Blattfläche bestimmt, die als Näherungswert für die gesamte Blattfläche und das Sprossgewicht verwendet werden kann. Beides sind gute Indikatoren, um Testpflanzen miteinander zu vergleichen, Rückschlüsse auf Veränderungen im Wachstum zu ziehen und dadurch potenzielle Effekte der Testsubstanzen zu ermitteln. In unseren Tests mit Gerste und Zuckerrübe konnten wir feststellen, dass weder mit die mit Kupfer beladenen noch die unbeladene greenRelease Mikrogele negative Effekte auf das allgemeine Pflanzenwachstum zeigen, wohingegen andere Kupfersalze, die nicht Bestandteil von greenRelease sind, negative Effekte auslösten. Wir werden weiterhin verbesserte greenRelease Formulierungen an Pflanzen testen, auch im Vergleich zu kommerziell erhältlichen Produkten.

Ein weiterer Aspekt der Biokompatibilitäts-Tests und der allgemeinen Nachhaltigkeit ist die Einschätzung von potenziellen Effekten auf die boden- und blattassozierten Mikrobiome (CG Knief). Mikroorganismen des Bodens können umfangreich zu Pflanzenwachstum und -gesundheit beitragen und stellen einen wichtigen Faktor in der Bewertung von Umweltauswirkungen verschiedener Stoffe dar. Wir testen solche Effekte im Feld sowie unter kontrollierten Laborbedingungen. In Laborexperimenten wurde beobachtet, inwiefern sich die Aktivität und Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft ändert, nachdem Bodenproben mit verschiedenen Komponenten der greenRelease Technologie inkubiert wurden. Dies wurde anhand von Hochdurchsatz-Sequenzierungen zur Analyse mikrobieller Gemeinschaften und mikrobieller Respirationsmessungen ermittelt. Der sich zeigende Anstieg der relativen Häufigkeit einiger Bakterienstämme über die Zeit infolge der Inkubation mit greenRelease, gekoppelt an einen temporären Anstieg der respiratorischen Aktivität deuten auf Degradierungspotenzial hin. Wir validieren diese Ergebnisse in laufenden Experimenten.

Wir testen zusätzlich mögliche Effekte der Mikrogele auf epiphytische Mikroben, also solche, die auf der Pflanzenoberfläche zu finden sind. Sie sind ein wichtiger Indikator für die Biokompatibilität jedes Blattapplikationssystems, da sie in direkten Kontakt mit der Technologie gelangen. In einem Feldversuch wurden greenRelease Mikrogele mit Kupfer beladen und auf Apfelbäume appliziert, um einer Infektion mit dem pathogenen Pilz Venturia inaequalis entgegenzuwirken (Abb. 2). In laufenden Tests evaluieren wir die Auswirkung dieser Applikationen auf verschiedene Aspekte der epiphytischen mikrobiellen Gemeinschaftsstrukturen.

Unsere bisherigen Ergebnisse unterstützen, dass die greenRelease Technologie ein vielversprechender Kandidat für die Applikation von Agrochemikalien ist, ohne wesentliche Auswirkungen auf das Pflanzenwachstum und die Umwelt zu zeigen.

Beteiligte Core Groups

Prof. U. Schurr
Dr. F. Fiorani
Dr. H. Lenz
IBG-2: Plant sciences
Forschungszentrum Jülich

Prof. C. Knief
J. Zierul
INRES – Molecular Biology of the Rhizosphere
Universität Bonn