Ein neuer Durchbruch hilft bei der Herstellung von Reis, der billig, sauber und gesund ist.

Abbildung (a): Mit Nano-Selen gedüngter Reis (RF+Se ENMS) weist eine höhere Qualität auf als mit weniger Dünger gedüngter Reis (RF) oder konventionell angebauter Reis (CK). Abbildung (b): Feldversuch zur Untersuchung der Treibhausgasemissionen von mit Nano-Selen angereichertem Reis.

Die Grenzen der Grünen Revolution angehen

Ein wesentlicher Grund für den Erfolg der „Grünen Revolution“ Mitte des letzten Jahrhunderts war die Erfindung stickstoffreicher Kunstdünger, die es Landwirten ermöglichten, die Ernteerträge deutlich zu steigern. Diese Dünger wiesen jedoch auch Nachteile auf, darunter hohe Produktionskosten, die Freisetzung großer Mengen Kohlendioxid (CO₂) im Produktionsprozess und die Tatsache, dass ein Großteil des Stickstoffs ausgewaschen wurde.

Die meisten Nutzpflanzen nehmen nur etwa 40–60 % des zugeführten Stickstoffs auf. Dies wird als Stickstoffnutzungseffizienz (NUE) bezeichnet. Bei Reis kann die NUE auf bis zu 30 % sinken, was bedeutet, dass 70 % des von den Landwirten ausgebrachten Düngers in Flüsse, Seen und das Meer gelangen. Dies trägt zur Eutrophierung bei, verschmutzt Flüsse und Seen und verursacht eine Reihe weiterer Umweltprobleme. Zudem führt es zu einer enormen Verschwendung von Geldern, die für Düngemittel ausgegeben werden.

Gelangt Stickstoff in den Boden, reagiert er mit zahlreichen komplexen chemischen Reaktionen und mikrobiellen Aktivitäten. Dabei entstehen große Mengen an potenten Treibhausgasen wie Methan (CH₄), Ammoniak (NH₃) und Lachgas (NO). Auch die Herstellung von Stickstoffdüngern ist energieintensiv und trägt somit zu den weltweit steigenden Emissionen bei.

Wirksamkeit im Feld

In einer in den Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlichten Studie zeigte ein Wissenschaftlerteam der University of Massachusetts-Amherst (USA) und der Jiangnan University (China), dass die Anwendung von Selenpartikeln in Nanogröße (Nano-Selen) die benötigte Düngermenge beim Reisanbau reduzieren und gleichzeitig den Ertrag erhalten, den Nährstoffgehalt und die mikrobielle Vielfalt im Boden verbessern sowie die Treibhausgasemissionen verringern kann.

Die Autoren wiesen zudem erstmals nach, dass solche Selen-basierten Behandlungen unter realen Bedingungen wirksam sind. Sie stellten fest, dass die Anwendung von Nano-Selen-Dünger auf Blätter und Stängel von Reispflanzen die negativen Umweltauswirkungen der Stickstoffdüngung um bis zu 41 % reduzierte und den wirtschaftlichen Nutzen pro Tonne Reis im Vergleich zu herkömmlichen Methoden um 38,2 % steigerte.

„Wir haben die Nano-Selenlösung leicht auf die wachsenden Reisfelder gesprüht. Durch diesen direkten Kontakt nehmen die Reispflanzen das Selen viel effizienter auf als durch die Ausbringung von Dünger auf den Boden“, erklärte Professor Chuanxi Wang, Mitautor der Studie.

Selen steigert die Photosynthese in Pflanzen um mehr als 40 %. Durch die erhöhte Photosynthese nehmen die Pflanzen mehr CO₂ auf und wandeln es in Kohlenhydrate um. Diese Kohlenhydrate gelangen in die Wurzeln und fördern deren Wachstum. Größere, gesündere Wurzeln setzen mehr organische Verbindungen frei und nähren so nützliche Bodenbakterien. Diese Bakterien arbeiten symbiotisch mit den Reiswurzeln zusammen, um mehr Stickstoff und Ammoniak aus dem Boden aufzunehmen. Dadurch erhöht sich die Stickstoffnutzungseffizienz (NUE) von 30 % auf 48,3 %, während gleichzeitig die Menge an Stickoxiden und Ammoniak, die in die Atmosphäre gelangen, um etwa 19–46 % reduziert wird.

Durch die erhöhte Nährstoffversorgung erzielen Reispflanzen höhere Erträge. Insbesondere die Reiskörner werden nährstoffreicher: Der Proteingehalt, der Gehalt an essentiellen Aminosäuren und Selen steigt. Darüber hinaus stellte das Forschungsteam fest, dass die Anwendung von Nano-Selen es Landwirten ermöglicht, ihren Stickstoffdüngerbedarf um 30 % zu reduzieren.

Der Reisanbau sichert derzeit den Lebensunterhalt von über 3,5 Milliarden Menschen, was mehr als 43 % der Weltbevölkerung entspricht. Neue Anbaumethoden versprechen, drei drängende Probleme zu lösen: das globale Bevölkerungswachstum, den Klimawandel und die steigenden wirtschaftlichen und ökologischen Kosten.

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