Nützliche Effekte mikrobieller Biostimulanzien für Pflanzen

Die Herstellung mikrobieller Biostimulanzien erfolgt am häufigsten durch die Kultivierung von Mikroorganismen auf verschiedenen Nährmedien. Die resultierende mikrobielle Biomasse und Stoffwechselprodukte werden als flüssige mikrobielle Präparate (in einem stabilisierten Medium), als Trockenprodukte (durch Lyophilisation) formuliert oder in einen spezifischen Träger (Zellulose, Dextrose, Blähton etc.) oder in eine Suspension eingearbeitet.

Mikrobielle Biostimulanzien werden auf Saatgut, Boden (direkt oder über Bewässerung und Fertigation) oder auf wachsende Pflanzen ausgebracht. Obwohl die Wirkmechanismen mikrobieller Biostimulanzien auf Pflanzen nicht vollständig aufgeklärt sind, gibt es überzeugende Belege für ihre positive Wirkung auf das Pflanzenwachstum. Es wird heute anerkannt, dass ihre Effekte auf die Stimulation verschiedener Prozesse zurückzuführen sind, wobei die wichtigsten wie folgt sind:

• Biologische Stickstofffixierung
• Mobilisierung unlöslicher Phosphate;
• Produktion von Eisen-chelierenden Verbindungen;
• Produktion von Hormonen und Kontrolle des Phytohormonstatus.

Positive Wirkungen von Bakterien und Rhizobakterien auf Pflanzen

Die biologische Stickstofffixierung ist eine der bekanntesten Wirkungen symbiotischer (Rhizobium spp.) und einiger anderer Mikroorganismen (Azotobacter spp., Azospirillum spp., Bacillus polymyxa, Gluconoacetobacter diazotrophicus, Burkholderia spp., etc.). Atmosphärischer Stickstoff (N2, 78%) ist für Pflanzen aufgrund der extrem stabilen Dreifachbindung zwischen den beiden Stickstoffatomen unzugänglich. Die oben genannten Mikroorganismen haben durch das Enzym Nitrogenase die Fähigkeit, atmosphärischen Stickstoff in die für Pflanzen verfügbare Ammoniumform (NH4+) umzuwandeln.

Die Rolle der symbiotischen Stickstofffixierung in der Stickstoffernährung von Leguminosen ist seit langem bekannt. Von größerem aktuellen Interesse ist die Fähigkeit freilebender Mikroorganismen, die Stickstoffernährung anderer landwirtschaftlicher Kulturen zu unterstützen. Die verfügbaren Informationen hierzu sind noch begrenzt, aber es wird angenommen, dass unter günstigen Bedingungen mikrobielle Biostimulanzien, die freilebende Stickstofffixierer enthalten, den Boden mit 2–3 kg Stickstoff pro Dekar anreichern können.

Ein weiterer Mechanismus, durch den Rhizosphärenbakterien (PGPR) das Pflanzenwachstum stimulieren, ist die Erhöhung der Verfügbarkeit von Phosphor und Eisen im Boden. Obwohl der Gesamtphosphorgehalt im Boden normalerweise hoch ist, sind aufgrund chemischer Fixierung und geringer Löslichkeit nur 0,1 % davon für Pflanzen verfügbar. Mikroorganismen ermöglichen die biologische Umwandlung unlöslicher anorganischer und organischer Phosphate in für Pflanzen verfügbare Formen. Sie synthetisieren und geben organische Säuren und Phosphatenzyme (Phosphatase und Phytase) in die Bodenumgebung ab. Organische Säuren erhöhen die Verfügbarkeit anorganischer Phosphate, während Phosphatenzyme die Verfügbarkeit organischer Phosphate erhöhen. Die wichtigsten PGPR mit dieser Fähigkeit gehören zu den Gattungen Burkholderia, Pseudomonas, Bacillus, Rhizobium, Agrobacterium, Achromobacter, Streptomyces, Micrococcus, Erwinia usw. Diese Mikroorganismen produzieren gemeinsam niedermolekulare organische Säuren, die die Bodenlösung ansäuern und so die Löslichkeit von Phosphationen aus phosphorhaltigen Verbindungen erhöhen. Durch das Auflösen unlöslicher Phosphate können Mikroorganismen indirekt einen erheblichen Teil des P aus der Bodenlösung assimilieren. Nach dem Absterben der mikrobiellen Zellen wird der in ihnen enthaltene Phosphor freigesetzt, was seine Aufnahme sowohl durch Pflanzen als auch durch andere Bodenorganismen ermöglicht.

Phosphatlösende Mikroorganismen zeigen ein breites Spektrum an Stoffwechselfunktionen in verschiedenen Umgebungen, was zu einem signifikant höheren Pflanzenwachstum, verbesserten Bodeneigenschaften und erhöhter biologischer Aktivität führt. Diese Mikroorganismen sind auch an der Fixierung von atmosphärischem Stickstoff beteiligt, beschleunigen die Verfügbarkeit anderer Mikronährstoffe, produzieren Pflanzenhormone wie Auxine, Cytokinine und Gibberelline; setzen Siderophore, Cyanwasserstoff, Enzyme und/oder fungizide Verbindungen wie Chitinase, Cellulase, Protease frei, die einen Antagonismus gegen phytopathogene Mikroorganismen bieten.

Ein Großteil des Eisens in Böden mit neutraler oder alkalischer Reaktion liegt in einer für Pflanzen unzugänglichen Form vor, wie dem Eisen(III)-Ion Fe(III). Pflanzen haben zwei Strategien für die Eisenaufnahme: Strategie 1 durch Erhöhung seiner Löslichkeit, gefolgt von einer Reduktion zum Eisen(II)-Ion Fe(II) in den Membranen der Wurzelzellen, und Strategie 2 (hauptsächlich bei Getreidearten) durch Ausscheidung von Phytosiderophoren, die Chelatkomplexe mit Fe(III) bilden. Rhizosphärische Mikroorganismen können, ähnlich wie Getreidekulturen, die Eisenaufnahme durch Pflanzen durch die Synthese mikrobieller Siderophore (niedermolekulare chelatisierende Verbindungen) erleichtern. Bakterien produzieren hauptsächlich drei Gruppen von Siderophoren – Catecholate, Hydroxamate und Carboxylate, während Bodenpilze vier Gruppen produzieren: Ferrichrome, Coprogene, Fusarinine und Rhodotorulsäure. Unabhängig von ihrer Natur bilden sie lösliche Eisen(III)-Komplexe, die an der Eisenassimilation und seiner Aufnahme durch Pflanzen beteiligt sind. Es wird angenommen, dass der Fe(III)-Siderophor-Komplex auf der Mineraloberfläche gebildet, in die Bodenlösung übertragen wird und für die Aufnahme durch andere Organismen verfügbar wird. Die Rolle von Siderophoren beschränkt sich nicht nur auf die Erhöhung der Bioverfügbarkeit von Fe, sondern umfasst auch die Fähigkeit, Komplexe mit anderen essentiellen Elementen (d.h. Mo, Mn, Co und Ni) in der Umwelt zu bilden und deren mikrobielle Aufnahme zu verbessern.

Ein dritter Mechanismus, durch den Mikroorganismen Pflanzen beeinflussen, betrifft die Produktion von Pflanzenhormonen (oder Wachstumsregulatoren) sowie die Kontrolle des Hormonstatus von Pflanzen. Es ist bekannt, dass Phytohormone wie Auxine, Gibberelline, Cytokinine, Ethylen, Abscisinsäure und andere eine Reihe physiologischer und morphologischer Prozesse in Pflanzen regulieren.

Es wurde wiederholt festgestellt, dass die Ethylenemission in inokulierten Pflanzen abnimmt. Ethylen ist als Hormon der Alterung bekannt. Seine Vorstufe in Pflanzen ist die 1-Aminocyclopropan-1-carbonsäure (ACC). Unter Stressbedingungen steigt die Ethylenproduktion, begrenzt das Wachstum und stimuliert die Alterung in Pflanzen. Die von Mikroorganismen produzierte ACC-Deaminase hat die Fähigkeit, den Ethylenspiegel in inokulierten Pflanzen zu senken und die Wachstumsprozesse wiederherzustellen.

Positive Wirkungen arbuskulärer Mykorrhizapilze auf Pflanzen

Mykorrhiza (Ektomykorrhiza und arbuskuläre Mykorrhiza) ist eine Symbiose zwischen den Wurzeln von 80 % der Landpflanzen und Mykorrhizapilzen. Die arbuskuläre Mykorrhiza kann eine bedeutende Rolle in der Mineralernährung von Pflanzen spielen, da sie ein Netzwerk von Hyphen bildet, das das Volumen und die Kontaktoberfläche der Wurzeln im Boden stark erhöht.

Schaffung einer Mykorrhizosphäre um die Wurzeln durch Zugabe von Mykorrhizaprodukten zum Boden

Es ist bekannt, dass Pflanzenwurzeln nicht mehr als 5–10 % des inneren Bodenvolumens einnehmen; daher liegt ein großer Teil der Nährstoffe außerhalb ihrer Reichweite. Pilzhyphen sind dünner als die Dicke der "Arbeitswurzeln" (0,2–0,3 mm), weshalb sie eine höhere Durchdringungsfähigkeit im Boden und entsprechend einen größeren Zugang zu Nährstoffen und Wasser im Boden haben. Bei erfolgreicher Inokulation mit Mykorrhizaprodukten bildet sich eine "Mykorrhizosphäre", die die Versorgung mit für die Wurzeln schwer zugänglichem Phosphor und einer Reihe von Mikronährstoffen erleichtert. Glomus spp. ist die am weitesten verbreitete Gattung arbuskulärer Mykorrhizapilze, die Arten mit einer breiten und engeren Spezialisierung auf bestimmte Pflanzenarten umfasst.

Liste der zugelassenen Produkte für die organische Düngung im Rahmen der Öko-Regelung 3

Die oben genannten positiven Wirkungen von Mikroorganismen bieten Unternehmen die Grundlage, geeignete mikrobielle Biostimulanzien für den Agrarmarkt zu entwickeln und anzubieten. Einige der in Bulgarien zugelassenen mikrobiellen Produkte mit angekündigter Stickstofffixierungskapazität sind in der Tabelle aufgeführt.

Mikrobielle Biostimulanzien, die in die Liste der in Bulgarien (2022) zugelassenen Produkte aufgenommen sind