Ein wissenschaftliches Forschungsteam der National University of Singapore hat kürzlich ein „Mikronadel-Biodüngungspflaster“-System für Pflanzen entwickelt, von dem erwartet wird, dass es die Wachstumsleistung von Pflanzen erheblich verbessert und gleichzeitig den Düngemittelverbrauch reduziert und die durch traditionelle Düngung verursachte Umweltverschmutzung verringert. Die Forschung wurde in der Zeitschrift Advanced Functional Materials veröffentlicht.

Andy Tay, Leiter des Projekts und Assistenzprofessor am Institut für Gesundheitsinnovation und -technologie (iHealthtech) der National University of Singapore, sagte, dass diese Idee auf dem Verweis auf die Migration menschlicher Mikroben und Methoden zur Injektion von Medikamenten beruht. Das Team stellte die Hypothese auf, dass nützliche Mikroorganismen, wenn sie direkt in die Blätter oder Stängel der Pflanze gelangen würden, wie sie beim Menschen verabreicht würden, innerhalb der Pflanze zu den Wurzeln wandern und ihre Arbeit verrichten könnten, während gleichzeitig das Risiko einer Schwächung durch Säure oder konkurrierende Mikroorganismen in der Bodenumgebung verringert würde.

Um diese „Fixpunktfütterung“ zu erreichen, stellten die Forscher auflösbare Mikronadelpflaster her und kapselten „lebenden Biodünger“ aus nützlichen Mikroorganismen in die Nadelspitzen ein. In dem Experiment verwendete das Team eine Mischung aus pflanzenwachstumsfördernden Rhizosphärenbakterien (PGPR), bestehend aus Actinobakterien (Streptomyces) und Agromyces-Bacillus-Flora, um den Nährstoffstoffwechsel zu fördern und Pflanzenwachstumshormone zu stimulieren. Die Ergebnisse zeigten, dass Grünkohl und Kohl, die mit Mikronadelpflastern behandelt wurden, unter Gewächshausbedingungen in Bezug auf Pflanzenhöhe, Blattfläche und oberirdische Biomasse deutlich besser waren als herkömmliche Behandlungen.

Noch wichtiger ist, dass mit dieser Methode Einsparungen bei der Menge des verwendeten Düngemittels erzielt werden: Im Vergleich zur herkömmlichen Beimpfung von Biodünger in den Boden reduziert die Mikronadel-Pflasterlösung die Menge des verwendeten Biodüngers um etwa 15 %. Das Forschungsteam wies darauf hin, dass dieser Vorteil aus einer präziseren Düngemittelabgabe resultiert, wodurch die Düngemittelverschwendung und die damit verbundene Umweltbelastung durch Düngemittel außerhalb des Zielgebiets erheblich reduziert werden.

Nach der Definition des Forschungsteams handelt es sich bei „lebendem Biodünger“ um eine Gruppe nützlicher Bakterien und Pilze, die als „Pflanzenpfleger“ von Nutzpflanzen angesehen werden können und dazu beitragen, dass Nutzpflanzen Umweltstress lindern und die Nährstoffaufnahmefähigkeit verbessern. Der traditionelle Ansatz besteht darin, es in den Boden einzubringen, doch der Säuregehalt des Bodens und das Vorhandensein konkurrierender Mikroorganismen schwächen oft seine Wirksamkeit, sodass nur ein Teil der Mikroorganismen in die Wurzelzone gelangt. Im Gegensatz dazu umgeht die neue Methode des singapurischen Teams Bodenbarrieren, indem nützliche Mikroorganismen direkt in Blätter oder Stängel injiziert werden, sodass sie schnell den Wirkungsort erreichen können.

Material- und prozesstechnisch wählten die Forscher als Träger Polyvinylalkohol (PVA), ein günstiges und biologisch abbaubares Polymer. Die Fläche des Versuchsfeldes beträgt etwa 1 Quadratzentimeter und enthält eine Reihe von Mikronadeln mit einer Nadellänge von etwa 140 Mikrometern, geeignet für Blätter, oder Mikronadeln mit einer Nadellänge von etwa 430 Mikrometern, geeignet für Stängel. Diese Mikronadeln sind in einem 40×40-Array angeordnet, das aus 140 Mikrometer hohen Pyramiden besteht. Das Team mischte die Mikroorganismen zunächst in eine PVA-Lösung und verwendete dann Mikroformen, um die Mikroorganismen an der Nadelspitze zu „fixieren“.

Bei der Verwendung funktioniert es wie ein umgekehrter Fingerhut: Züchter drücken einfach mit dem Daumen auf das Pflaster oder üben mit Hilfe eines einfachen Handapplikators gleichmäßigen Druck aus, sodass die Mikronadeln ohne Beschädigung in das Pflanzengewebe eindringen können. Nach etwa 60 Sekunden lösen sich die Mikronadeln in der Pflanze auf und geben die eingeschlossenen Mikroorganismen frei, während die Nadeln selbst im Pflanzengewebe verbleiben und schließlich abgebaut werden.

Das Team betonte, dass diese Mikronadel-Patch-Technologie die 3D-Druckproduktion unterstützt, eine schnelle Vorbereitung erleichtert und einen relativ gleichmäßigen Einfügungseffekt erzielen kann, wenn eine große Blattfläche abgedeckt wird. Da die Mikroorganismen im Pflaster auf Lagerstabilität ausgelegt sind, können sie unter normalen Lagerbedingungen bis zu vier Wochen lang aktiv bleiben, was es den Betrieben erleichtert, Vorräte im Voraus anzulegen. Im Vergleich zur Bodenausbringung von Biodüngern gibt es bei dieser Methode nahezu keine „fehlenden“ Situationen, sodass Pflanzen, einschließlich hochwertiger Nutzpflanzen, mit größerer Sicherheit ausreichende Mengen an „Medikamenten“ erhalten.

Es ist erwähnenswert, dass die Mikronadeltechnologie selbst nicht das erste Mal ist, dass sie im Pflanzenbereich eingesetzt wird. Ähnliche Mikronadelpflaster wurden bereits früher verwendet, um Pflanzen mit Pestiziden zu versorgen. Andy Tay wies jedoch darauf hin, dass dies das erste Mal sei, dass mit Pflanzenwurzeln verbundene Biodünger direkt durch Blätter oder Stängel abgegeben werden könnten, um das Pflanzenwachstum zu fördern. Er sagte, dass dieses neue Konzept des „Mikronadel-Biodüngers“ wichtige Ideen zur Lösung vieler Herausforderungen liefert, mit denen Bodenimpfmethoden konfrontiert sind.

Mit Blick auf die Zukunft hofft das Forschungsteam, dass diese Technologie Bereiche wie die vertikale Landwirtschaft, die städtische Landwirtschaft und den Heilpflanzenanbau bedienen kann. Tay sagte, dass einer der nächsten Schwerpunkte die Verbesserung der Skalierbarkeit sei, und das Team plane, die Integration der Mikronadeltechnologie in landwirtschaftliche Roboter und Automatisierungssysteme zu untersuchen, damit sie in groß angelegten landwirtschaftlichen Szenarien eingesetzt werden könne. Darüber hinaus wird die Forschung auf weitere Nutzpflanzen wie Erdbeeren ausgeweitet und weiter untersucht, wie Mikroorganismen effektiv von den Blättern zu den Wurzeln innerhalb der Pflanze wandern.

Zusammengestellt von /ScitechDaily