Julia W. Gaskin1, Peter Hartel2, Elizabeth Little3, Glen Harris4

• Bodenbiologie
• Bodenimpfstoffe
• Verwendung von Bodenimpfstoffen
• Zusammenfassung
• Zusätzliche Ressourcen

Bodenbiologie

Die Bodenbiologie ist wichtig, um landwirtschaftliche Systeme gesund und produktiv zu halten. Lebendiger Boden ist komplex. Er umfasst Lebewesen, die man mit bloßem Auge nicht sehen kann, wie Bakterien, Pilze, Actinomyceten, Protozoen und Nematoden, sowie Lebewesen wie Insekten und Regenwürmer. Diese Gemeinschaft von Organismen ist in einem Nahrungsnetz miteinander verbunden, das die chemischen und physikalischen Eigenschaften des Bodens beeinflusst. Wir interessieren uns für diese Eigenschaften, weil sie auch das Wachstum und die Gesundheit der Pflanzen beeinflussen.

Mikroskopische Aktinomyceten im Boden. Einige dieser Mikroorganismen produzieren Antibiotika.

Praktiken wie das Einbringen von Dünger oder Kompost in den Boden, das Anpflanzen von Bodendeckern und der Fruchtwechsel zielen alle darauf ab, die organische Substanz des Bodens wieder aufzubauen und zu erhalten, Nährstoffe zu recyceln und zurückzuhalten und Bodenkrankheiten zu verringern. Diese Praktiken sind in der Regel mit einer erhöhten mikrobiellen Biomasse und einer größeren Vielfalt an Bodenorganismen verbunden.

Ein gesunder Boden kann Milliarden von Bakterien, Pilzen und anderen Mikroorganismen in einem Teelöffel enthalten. Je nach Bodenbedingungen steigen und fallen die Populationen dieser verschiedenen Mikroorganismen. Einige Mikroorganismenpopulationen nehmen schnell zu, wenn dem Boden frische Deckfrüchte oder andere Pflanzenreste zugeführt werden. Einige Mikroben sind zum Beispiel in der Lage, die leicht verfügbaren Kohlenstoffquellen aus frischen Pflanzenresten zu nutzen, so wie der Mensch Kohlenhydrate nutzt. Diese Mikroben nehmen ab, wenn die Kohlenstoffquellen aufgebraucht sind, wodurch andere Mikroben, die die weniger verfügbaren Kohlenstoffquellen wie Zellulose und Lignin abbauen, zunehmen. Der Punkt ist, dass es viele einheimische Mikroorganismen im Boden gibt, die schnell reagieren, wenn die Bedingungen für ihr Wachstum günstig sind.

Bodenimpfstoffe

Diese Kiefernsämlingswurzeln sind mit Mykorrhizapilzen infiziert, die es der Pflanze ermöglichen, Nährstoffe aus einem größeren Volumen des Bodens zu erhalten.
(David Read, Oregon State University)

Da wir immer mehr erkennen, dass die Bodenbiologie eine wichtige Rolle in der Pflanzenproduktion spielt, wächst das Interesse an Bodeninokulanten weiter. Inokulantien werden aus verschiedenen Gründen eingesetzt. In einigen Fällen fügen wir Bodenorganismen hinzu, die eine bekannte positive Wirkung haben. Beispielsweise gehen einige Bakterien, wie Rhizobien, eine symbiotische Beziehung mit bestimmten Wirtspflanzen, wie Leguminosen, ein. Eine symbiotische Beziehung ist eine Beziehung, die für beide Seiten von Nutzen ist. Als Gegenleistung dafür, dass die Pflanze sie mit Kohlenstoff aus der Photosynthese versorgt und ihnen ein Zuhause bietet, können die Bakterien atmosphärischen Stickstoff in eine Form „fixieren“, die die Pflanze nutzen kann. Einige Pilze, wie z. B. Mykorrhiza, können ebenfalls eine symbiotische Beziehung mit Pflanzen eingehen, indem sie Phosphor und andere Nährstoffe für die Pflanze auffangen und verwerten. Einige Bakterien und Pilze gehen keine symbiotische Beziehung mit Pflanzen ein, können aber, wenn sie dem Boden zugesetzt werden, das Pflanzenwachstum fördern, Pflanzenkrankheitserreger unterdrücken oder beides.

Am einfachsten lassen sich Bodeninokulanten nach ihrer Wirkungsweise einteilen: Biodünger oder Pflanzenwachstumsförderer, Biopestizide und Pflanzenresistenzstimulanzien.

Biodünger

Biodünger enthalten lebende Mikroorganismen, die, wenn sie auf das Saatgut, die Pflanze oder den Boden aufgebracht werden, den Bereich um die Wurzeln (Rhizosphäre) besiedeln oder in den Wurzeln leben. Diese Mikroorganismen fördern das Pflanzenwachstum, indem sie das Angebot oder die Verfügbarkeit von Nährstoffen erhöhen, das Wurzelwachstum stimulieren oder andere nützliche symbiotische Beziehungen unterstützen. Biodünger werden auch als Pflanzenwachstumsförderer bezeichnet.

Leguminosen wie Klee, Erbsen und Bohnen haben wurzelbesiedelnde Rhizobakterien, die die Verfügbarkeit von Stickstoff für die Pflanze erhöhen können, indem sie Stickstoff aus der Atmosphäre fixieren. Für jede Hülsenfrucht gibt es ein bestimmtes Rhizobakterium, das am besten mit dieser Pflanze zusammenarbeitet. Die Beimpfung des Leguminosensaatguts mit den richtigen Bakterien stellt sicher, dass die Leguminose die Stickstoffverfügbarkeit maximiert, wenn der Stickstoffgehalt im Boden niedrig ist. Dies ist besonders wichtig, wenn Sie die Leguminosenart zuvor nicht gepflanzt haben, da die richtigen Bakterien möglicherweise nicht im Boden vorhanden sind.

Diese Sojawurzeln haben Knöllchen, die
Rhizobien enthalten, die Stickstoff für die Pflanze fixieren.
(Peter Hartel, University of Georgia.)

Es gibt auch frei lebende, stickstofffixierende Bakterien, die Getreidepflanzen wie Weizen und Mais mit Stickstoff versorgen können. Sie leben in der unmittelbaren Umgebung der Wurzel (Rhizosphäre). Im Allgemeinen ist die Stickstofffixierung sowohl bei den symbiotischen als auch bei den freilebenden Stickstofffixierern in stickstoffarmen Böden höher.

In vielen Böden sind Nährstoffe wie Phosphor, Kalium und Eisen in großen Mengen vorhanden, aber in Formen, die Pflanzen nicht nutzen können. Viele Bakterien und Pilze sind in der Lage, diese Nährstoffe für Pflanzen verfügbar zu machen, indem sie organische Säuren oder andere Chemikalien (Siderophore) absondern, um die Mineralien aufzulösen. Mykorrhizapilze, die in Pflanzenwurzeln leben, sind für ihre Fähigkeit bekannt, Pflanzen mit Phosphor zu versorgen. Genau wie bei den Stickstofffixierern sind Mykorrhizapilze am effektivsten, wenn das Phosphorangebot im Boden gering ist. Wenn ausreichend Nährstoffe zur Verfügung stehen, scheinen die Pflanzen ihre hart erarbeiteten Produkte der Photosynthese nicht gegen mehr Nährstoffe eintauschen zu wollen.

Einige Bakterien und Pilze produzieren Pflanzenwachstumshormone, die das Wurzelwachstum speziell und das Pflanzenwachstum im Allgemeinen steigern können. Ein verstärktes Wurzelwachstum hilft der Pflanze, ein größeres Volumen des Bodens für Nährstoffe und Wasser zu nutzen, und kann der Pflanze helfen, Angriffen von Krankheitserregern „zu entwachsen“. So ist beispielsweise bekannt, dass Pilze Gibberelline produzieren, die für die Keimung von Samen und das Zellwachstum wichtig sind, und einige Bakterien können die Menge an Ethylen reduzieren, einem Hormon, das Pflanzen unter Stress produzieren.

Biopestizide

Eine Pflanzenwurzel, die von einem Film aus Bacillus subtilis (grüne Fluoreszenz) umgeben ist, als Reaktion auf eine Infektion durch einen Pflanzenpathogen.
(Thimmaraju Rudrappa, University of Delaware)

Es gibt viele Beispiele für Böden, die Pflanzenschädlinge auf natürliche Weise unterdrücken. Suppressive Böden sind das Ergebnis von Wechselwirkungen zwischen bestimmten Mikroorganismen und Schädlingsorganismen. Viele der gebräuchlichsten Bodeninokulantien enthalten diese suppressiven Mikroorganismen und werden als Biopestizide oder Biokontrollprodukte eingesetzt.

Die meisten Biopestizidorganismen wirken, indem sie entweder eine Substanz produzieren, die den Schädling hemmt oder tötet (Antagonismus), oder indem sie die Verfügbarkeit von Nahrung oder Unterschlupf für den Erreger verringern (Konkurrenz). Das am häufigsten verwendete Biopestizid ist Bacillus thuringiensis, der ein Toxin produziert, das Bodenmaden und Nematoden abtötet. Bestimmte Stämme von Bacillus subtilis werden häufig als Fungizid eingesetzt. Dieses Bakterium besiedelt Pflanzenwurzeln, konkurriert mit Pilzen um diese Nische und verhindert das schnelle Wachstum von Pilzkrankheiten.

Protozoen und Nematoden, die Bakterien fressen, spielen ebenfalls eine wichtige Rolle bei der Bekämpfung von Krankheitserregern (Prädation). Wie in jedem Ökosystem halten sowohl Konkurrenz als auch Prädation die Populationen im Gleichgewicht.

Stimulanzien für die Pflanzenresistenz

Neben der direkten Hemmung von Pflanzenpathogenen stimulieren einige Pilze und Bakterien die Pflanze, ihre eigenen Abwehrmechanismen zu aktivieren. Dies wird als induzierte systemische Resistenz bezeichnet. Als Reaktion auf chemische Signale der Mikroorganismen können die Pflanzen ihre physiologischen Reaktionen so verändern, dass sie weniger Symptome des Krankheitserregers zeigen. Dazu kann die Stärkung der Zellwand gehören, um der Infektion zu widerstehen, oder die Freisetzung von Antibiotika (wie Terpene), die den Angriff des Pathogens verringern. Die chemischen Signale, die von den Mikroorganismen an die Pflanzen weitergegeben werden, sind spezifisch; folglich können Mikroorganismen und die chemische Substanz, die bei einer Pflanzenart eine induzierte systemische Resistenz hervorrufen, bei einer anderen Pflanzenart nicht funktionieren.

Einsatz von Bodenimpfstoffen

Es gibt zwar Beispiele für Bodenimpfstoffe, die das Pflanzenwachstum und die Ernteerträge erfolgreich verbessern, aber ihre Verwendung steckt noch in den Kinderschuhen. Der Erfolg eines bestimmten Inokulans hängt von der Pflanzenart und der Sorte ab. Auch die Bodenart, die Bodenfeuchtigkeit und die Temperaturbedingungen sowie die Anzahl der Krankheitserreger, die im Boden um die Pflanze herum vorhanden sind, wirken sich auf den Erfolg der Inokulanzien aus. Da Impfstoffe lebende Organismen enthalten, kann auch die Art und Weise, wie die Impfstoffe zubereitet und ausgebracht wurden, das Ergebnis beeinflussen.

Mikrobiologen sind der Ansicht, dass der Erfolg eines eingeführten Mikroorganismus eher mit seiner Fähigkeit zusammenhängt, sich zu vermehren und Populationen in einer bestimmten Nische im Wurzelbereich der Pflanze zu etablieren, als mit der Anzahl der ausgebrachten Impfmikroorganismen. Eingeführte Mikroorganismen müssen mit den bereits im Boden vorhandenen konkurrieren und die Prädation durch einheimische Protozoen und Nematoden überleben. Sie müssen die richtigen Nahrungsquellen und Umweltbedingungen vorfinden, um zu überleben. Eingeschleppte Mikroorganismen können durch schwankende Wasserverhältnisse im Boden, den Einsatz von Düngemitteln oder Agrochemikalien (sowohl organische als auch konventionelle) und Bodenstörungen wie die Kultivierung gestresst werden. Aufgrund all dieser Einflüsse können die eingeführten Mikroorganismen nicht sehr lange im Boden überleben; daher sind die positiven Auswirkungen eines Impfstoffs auf dem Feld oft geringer als unter Labor- oder Gewächshausbedingungen zu beobachten. Es gibt auch Fälle, in denen die Anwendung einer Bakterien- oder Pilzart positive Auswirkungen hat, während die gleichzeitige Anwendung mehrerer Arten keine vergleichbaren Effekte zeigt.

Im Allgemeinen haben Feldversuche mit Inokulanzien, die das Pflanzenwachstum fördern oder die Pflanzenresistenz stimulieren sollen, gemischte Ergebnisse. So ergaben beispielsweise Daten aus mehrjährigen Baumwoll- und Sorghumversuchen in Texas keinen Unterschied in den Erträgen mit zwei verschiedenen „Bodenaktivator“-Produkten. In einer anderen Studie wurden keine Unterschiede bei Futterpflanzen, Erdnüssen, Reis, Sojabohnen und Tomaten festgestellt. Andere Studien in Alabama haben gezeigt, dass verschiedene Stämme von Bacillus spp. Pilzkrankheiten bei Gurken und Tomaten verringerten; die Ergebnisse waren jedoch nicht für jedes Jahr der Feldversuche konsistent (siehe zusätzliche Ressourcen unten).

Impfmittel werden als Pulver, Granulat oder Flüssigkeiten formuliert und verkauft. Inerte Materialien wie Torfmoos werden oft als Träger verwendet, um die Organismen am Leben zu erhalten und die Ausbringung zu erleichtern.

Es gibt mehrere Methoden zur Ausbringung von Bodenimpfstoffen. Dazu gehören die Beschichtung von Saatgut oder Sämlingen oder die direkte Ausbringung auf den Boden. Die direkte Bodenausbringung erfolgt an der Pflanzenbasis in der Nähe der Pflanzenwurzeln. Unterschiedliche Formulierungen erfordern unterschiedliche Ausbringungsmethoden. Um die besten Erfolgsaussichten zu haben, sollten die Empfehlungen des Herstellers befolgt werden. Sie sollten den Impfstoffen vor der Anwendung keine zusätzlichen Produkte hinzufügen, insbesondere solche, die bakterien- oder pilztötende Eigenschaften haben können.

Auch die Haltbarkeit kann ein Problem darstellen. Da die Formulierungen lebende Organismen enthalten, sollten sie an einem kühlen Ort (vorzugsweise im Kühlschrank) aufbewahrt und nach dem Anmischen so schnell wie möglich verwendet werden. Wenn Impfstoffe im Auto, auf dem Armaturenbrett eines Pickups oder im Freien der Sonne, Hitze oder sehr kalten Temperaturen ausgesetzt sind, können einige der Organismen abgetötet werden, was ihre Wirksamkeit verringert.

In den Vereinigten Staaten sind Bodeninokulantien von der USEPA zur Verwendung zugelassen. In Georgia müssen sie außerdem vom Landwirtschaftsministerium des Bundesstaates zugelassen sein. Das Landwirtschaftsministerium verlangt Tests, um nachzuweisen, dass die Impfstoffe den Pflanzen nicht schaden und dass die Angaben auf dem Etikett zutreffen. Die Anwender sollten jedoch wissen, dass dies keine Garantie dafür ist, dass die Impfstoffe die behauptete Wirkung haben.

Vor dem Kauf sollten sich die Landwirte über die Produktangaben informieren. Das alte Sprichwort „Wenn es zu gut klingt, um wahr zu sein, ist es das wahrscheinlich auch“, gilt immer noch. Stellen Sie sich mehrere Fragen:

1. Behauptet das Produkt, dass es alles löst? Funktioniert es in allen Situationen? Funktioniert es in allen Böden?
2. Werden glaubwürdige wissenschaftliche Daten vorgelegt oder beruhen die Ergebnisse ausschließlich auf Erfahrungsberichten?
3. Wird glaubhaft begründet, warum das Produkt funktioniert?

Wie bei jedem landwirtschaftlichen Produkt sollte der Benutzer grundlegende Sicherheitsvorkehrungen beachten und die Anweisungen auf dem Etikett befolgen. Obwohl die Impfstoffe keine Krankheitserreger für den Menschen sind und die Hersteller verpflichtet sind, Vorsichtsmaßnahmen zu treffen, um eine Kontamination mit anderen Mikroorganismen zu verhindern, sollten die Anwender mit gesundem Menschenverstand vorgehen. Dazu gehört, dass die Sprays nicht eingeatmet werden, dass die Haut nicht mit der Impfstoffmischung in Berührung kommt und dass nach der Anwendung die Hände gewaschen werden. Einige Bakterien, die sich im Boden positiv auswirken, können Menschen mit geschwächtem Immunsystem infizieren.

Zusammenfassung

Die Verwendung von Bodenimpfstoffen ist vielversprechend für den Einsatz in landwirtschaftlichen Systemen zur Verbesserung des Nährstoffstatus, zur Verringerung von Pflanzenkrankheiten und Schädlingen und zur Steigerung der Erträge. Bewirtschaftungsmethoden wie Fruchtwechsel, der Anbau von Deckfrüchten und die Zugabe von organischen Düngemitteln und Bodenverbesserungsmitteln bieten jedoch ähnliche Vorteile. Alle diese Praktiken wirken sich auf die Anzahl und Vielfalt der Mikroorganismen im Boden aus. Aufgrund der Komplexität des Bodens und der landwirtschaftlichen Produktionssysteme ist es schwierig vorherzusagen, ob Bodeninokulantien die erwartete Wirkung zeigen. Ohne geeignete Bodenbedingungen haben es im Labor gezüchtete Impfstoffe oft schwer, mit einheimischen Mikroorganismenpopulationen zu konkurrieren.

Zusätzliche Ressourcen

Fibel zur Bodenbiologie. Online verfügbar unter
soils.usda.gov/sqi/concepts/soil_biology/biology.html .

Inoculation of Legume Forage Seed. Online verfügbar unter
www.aces.edu/dept/forages/miscellaneous/Ino_Forage_Seed.pdf

Non-Traditional Soil Additives: Können sie die pflanzliche Produktion verbessern? Online verfügbar unter
lubbock.tamu.edu/soilfertility/pdfs/nontraditSoilAdditves.pdf

Application of rhizobacteria for induced resistance. Online verfügbar unter
www.ag.auburn.edu/~kloepjw/.

Dieses Dokument wurde von der University of Georgia College of Agricultural and Environmental Sciences Cooperative Extension unterstützt.

1 Koordinator für nachhaltige Landwirtschaft, Bio- und Agrartechnik
2 Professor, Mikrobiologie, Pflanzen- und Bodenwissenschaften
3 Assistenzprofessor, Hausbesitzer IPM/Nachhaltige Landwirtschaft, Pflanzenpathologie
4 Extension Agronom, Environmental Soil and Fertilizer, Crop and Soil Sciences

Status und Revisionsgeschichte
Veröffentlicht am 13. August 2010
Veröffentlicht mit vollständiger Überprüfung am 01. August 2013
Veröffentlicht mit vollständiger Überprüfung am 02. August 2017