Selenium nanoparticles as slow-release fertilizers for mustard plants

Selen ist ein winziger Nährstoff, der eine gewaltige Rolle für die menschliche Gesundheit spielt, indem er als lebenswichtiger Helfer für die Fortpflanzung, die Muskelfunktion und die Abwehr des Körpers gegen Schäden fungiert. Doch trotz seiner Bedeutung erhalten Millionen von Menschen auf der Welt nicht genügend davon, weil der Boden in ihren Regionen diesen Stoff nicht aufweist. Landwirte versuchen schon lange, dies zu beheben, indem sie Selen dem Boden hinzufügen, aber die traditionelle Art und Weise, dies zu tun, ist zutiefst fehlerhaft. Die üblichen chemischen Salze, die zu diesem Zweck verwendet werden, lösen sich augenblicklich in Wasser auf. Wenn es regnet oder Felder bewässert werden, werden diese Salze weggespült, bevor die Pflanzen sie nutzen können, wodurch der Nährstoff in Flüsse und Grundwasser getragen wird, wo er die Tierwelt schädigen kann. Dies hinterlässt den Boden ausgelaugt und die Umwelt verschmutzt, was einen Kreislauf schafft, in dem der Dünger weder die Pflanzen noch die Menschen, die sie essen, ernähren kann.

Forscher des Indian Institute of Technology Delhi und des Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf in Deutschland haben einen anderen Weg erforscht – einen Weg, der ein giftiges Abfallprodukt in eine langsam freisetzende Nahrungsquelle für Pflanzen verwandelt. Anstatt gelöste Chemikalien zu verwenden, nutzten sie mikroskopisch kleine Organismen, um feste, winzige Kugeln aus Selen aufzubauen. Diese Kugeln, bekannt als biogene Nanopartikel, sind nicht einfach reines Selen; sie sind in eine natürliche Schicht aus Proteinen und Zuckern eingehüllt, die von den Mikroben produziert wurde, die sie erschaffen haben. Diese äußere Schicht wirkt wie eine schützende Hülle, die das Selen im Inneren hält und es langsam über einen längeren Zeitraum freigibt, ganz ähnlich wie eine Retardkapsel. Das Team testete, ob diese lebendig geschaffenen Kugeln lange genug im Boden bleiben konnten, um von Senfpflanzen aufgenommen zu werden – einer schnell wachsenden Kultur, die oft untersucht wird, um zu zeigen, wie Pflanzen Nährstoffe aufnehmen.

Um zu sehen, ob diese Idee funktionierte, erstellten die Wissenschaftler diese Selenkugeln zunächst mit zwei verschiedenen Arten von Mikroben: einem weit verbreiteten Bakterium namens E. coli und einer Mischung aus Mikroben, die im Schlamm von Kläranlagen vorkommen. Sie reinigten die resultierenden Partikel sorgfältig, um sicherzustellen, dass sie rein waren, und untersuchten dann deren Struktur. Sie fanden heraus, dass die durch E. coli hergestellten Kugeln kleiner waren, während die Mikroben aus dem Klärschlamm größere Kugeln erzeugten, aber beide waren mit der schützenden biologischen Schicht bedeckt, die ihnen ihre einzigartigen Eigenschaften verleiht. Die Forscher platzierten diese Partikel anschließend in Töpfe mit Erde und bewässerten diese regelmäßig, um eine reale landwirtschaftliche Umgebung nachzuahmen. Sie verglichen, wie viel Selen aus dem Boden ausgewaschen wurde, wenn sie diese neuen Partikel im Vergleich zu den traditionellen, schnell löslichen chemischen Salzen verwendeten.

Die Ergebnisse waren beeindruckend. Als das Team die traditionellen Salze verwendete, wurde der Großteil des Selens – mehr als 60 Prozent für den einen Typ und über 86 Prozent für den anderen – aus dem Boden ausgewaschen und gelangte in das Wasser. Im krassen Gegensatz dazu blieben die Selenkugeln an ihrem Platz. Die durch E. coli hergestellten Partikel hielten 96,7 Prozent des Selens im Boden, während jene aus dem Klärschlamm 91,7 Prozent zurückhielten. Die schützende Beschichtung verlangsamte die Freisetzung erfolgreich und verhinderte so, dass der Nährstoff an die Umwelt verloren ging. Dies bedeutete, dass das Selen im Boden verfügbar blieb, damit die Pflanzen es finden konnten, anstatt im Abfluss zu verschwinden.

Das Team züchtete dann Indischen Senf in diesen Töpfen, um zu sehen, ob die Pflanzen das Selen aus diesen langsam freisetzenden Kugeln tatsächlich „essen“ konnten. Nach acht Wochen waren die Pflanzen deutlich größer geworden und hatten längere Wurzeln entwickelt, verglichen mit jenen, die ohne Selen gezüchtet wurden. Noch wichtiger war, dass die Pflanzen das Selen aus den Kugeln erfolgreich aufgenommen hatten. Die Senfpflanzen nahmen etwa 28 Prozent des durch die E. coli-Kugeln bereitgestellten Selens und etwa 24 Prozent der durch die Schlamm-Kugeln bereitgestellten Menge auf. Während die traditionellen chemischen Salze schnell absorbiert wurden, wurden sie auch zu schnell ausgewaschen, um vollständig genutzt werden zu können. Die Kugeln hingegen lieferten eine stetige Zufuhr, auf die die Pflanzen über einen längeren Zeitraum zugreifen konnten. Die Studie zeigte, dass das Selen nicht nur in den Wurzeln feststeckte, sondern auch in die Triebe und Blätter transportiert wurde, wo es für den menschlichen Verzehr am nützlichsten wäre, falls diese Pflanzen als Lebensmittel angebaut würden.

Diese Arbeit legt nahe, dass die Verwendung von Mikroben zur Erstellung von Selenkugeln ein mächtiges Werkzeug für die Landwirtschaft sein könnte. Sie bietet eine Möglichkeit, Nutzpflanzen zu düngen, ohne die schweren Umweltschäden durch Abflüsse zu verursachen, indem sie den Nährstoff dort hält, wo er hingehört: im Boden. Die Forscher merkten an, dass diese Kugeln weniger toxisch als die chemischen Alternativen sind und unter Verwendung von Abfallstoffen kostengünstig produziert werden können. Indem sie ein potenzielles Schadstoffproblem in eine stetige Nahrungsquelle verwandeln, adressiert dieser Ansatz sowohl das Problem des Selenmangels beim Menschen als auch das Problem der Selenverschmutzung in Gewässern. Die Studie behauptet nicht, die globale Ernährungskrise gelöst zu haben, aber sie liefert eine klare, gemessene Demonstration dafür, dass diese lebendig geschaffenen Partikel effektiv im Boden bleiben und Pflanzen ernähren können, was eine vielversprechende Alternative zu den alten, verschwenderischen Düngungsmethoden darstellt.