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Forschung für die Ärmsten der Armen

Im Forschungsinstitut Icrisat nahe dem indischen Hyderabad kämpfen Forscher gegen den Hunger in der Welt. Wichtigste Waffe sind dabei uns unbekannte Pflanzen wie Sorghum und Perlhirse. Sie ermöglichen – im Gegensatz zu den Hochleistungsgewächsen der grünen Revolution – auch in einer unerbittlichen Umwelt noch akzeptable Ernten für eine weiter wachsende Weltbevölkerung. 750 Millionen Menschen, die in den semiariden Tropen täglich mit primitivsten Mitteln ums Überleben kämpfen müssen, profitieren von der Arbeit des Instituts, das vorwiegend aus den Steuergeldern der wichtigsten Industrieländer finanziert wird.

Vier Pflanzenarten bilden heute die Nahrungsgrundlage für den größten Teil der Menschheit: Mais und Reis, Kartoffeln und Weizen heißen die Gewächse, die in gemäßigten Klimazonen Rekordernten bringen – dank regelmäßiger Niederschläge, dem Einsatz von Düngemitteln und Pestiziden, dank künstlicher Bewässerung und einer weitgehend technisierten Landwirtschaft.

Dort aber, wo die Natur weniger freigebig ist, wo die Böden ebenso arm sind an Nährstoffen wie die Bauern an Geld, dort wo der Regen – wenn überhaupt – nur sporadisch fällt, sind die Menschen auf Pflanzen angewiesen, die auf europäischen Märkten nur selten zu finden sind. Die Rede ist von Sorghum und Perlhirse, von Hühner- und Taubenerbsen (Cicer arietinum und Cajanus cayan) sowie der immerhin als Snack verbreiteten Erdnuß.

Ohne diese fünf Pflanzen jedoch wären 750 Millionen Menschen in den semiariden Tropen ihrer Nahrungsgrundlage beraubt. Die semiariden Tropen (SAT) umfassen rund 20 Millionen Quadratkilometer in 50 Ländern beiderseits des Äquators, von Angola und Australien bis Zaire und Zimbabwe.

Zwar liegen die meisten SAT-Länder auf dem afrikanischen Kontinent, in einem über 1000 Kilometer breiten Gürtel um den zentralafrikanischen Regenwald, doch werden auch weite Teile Mexikos, Boliviens, Thailands und Pakistans zu dieser Landschaft gerechnet, in der erratische Regenfälle und nährstoffarme Böden den Bauern das Leben schwermachen. Diesen Bauern zu helfen ist das Hauptanliegen von Icrisat (International Crops Research Institute for the Semi-Arid Tropics), einem gewaltigen Forschungsinstitut im indischen Patancheru. „Wir arbeiten für die Ärmsten der Armen“, erklärt der leitende Direktor Dr. James Ryan. „Unser Ziel ist es, als Weltzentrum zur Verbesserung der Erträge und Qualität von Sorghum, Hirse, Hühnererbsen, Taubenerbsen und Erdnüssen zu dienen.“

Doch damit nicht genug: Icrisat soll außerdem als Genbank für diese Pflanzen fungieren, ebenso wie als Ausbildungsstätte und Koordinationszentrum für den Technologietransfer. Icrisat, das in diesem Jahr mit über 60 Millionen Mark finanziert wird, bietet hierfür ideale Voraussetzungen, denn auch Indien gehört zum größten Teil zu den semiariden Tropen.

Die rund 100 Top-Wissenschaftler der Forschungsstation werden in ihrer Arbeit von etwa 1500 Angestellten unterstützt – ein Verhältnis, das europäischen und amerikanischen Wissenschaftlern traumhaft erscheinen muß. Pflanzenzüchter und Insektenforscher, Landwirte und Botaniker, Genetiker und Mikrobiologen, Biochemiker und Virologen arbeiten hier in fachübergreifenden, problemorientierten Teams zusammen. Ziel ist es, die günstigen Eigenschaften verschiedener Rassen zu kombinieren und auch unter erschwerten Bedingungen, bei minimalem Einsatz von Düngemitteln und Pestiziden, noch akzeptable Ernten zu erreichen.

Ein unverzichtbares Hilfsmittel ist dabei die Icrisat-Genbank mit ihren über 100.000 lsolaten, die in weltweiten Sammelaktionen aufgespürt oder von Forschem in den Ländern der SAT direkt nach Hyderabad geschickt wurden.

Die Genbank beherbergt in ihren Tiefkühlschränken und wohlklimatisierten Lagerräumen jeweils mehrere tausend Nachkommen einer Pflanze, die in Samenform aufbewahrt werden. In mehrjährigen Abständen wird überprüft, ob die Samen noch keimungsfähig sind. Sobald der Anteil der „toten“ Samen die 15-Prozent-Marke übersteigt, muß das jeweilige Isolat aufgezogen und bis zur Samenreife hochgepäppelt werden. Diese „Enkel“ der ursprünglich gesammelten Pflanzen wandern dann wieder in peinlich genau gekennzeichnete Plastikbüchsen oder werden in Aluminiumfolien eingeschweißt – der Kreislauf beginnt von neuem.

Der gewaltige Arbeitsaufwand macht sich bezahlt, denn versteckt im Erbgut all dieser Pflanzen finden sich die Gene, die zahllosen Ernteschädlingen – von Pilzen und Würmern über Fliegen, Käfer und Raupen bis hin zu den verschiedensten Arten von Viren – den Appetit verderben. Auch andere Eigenschaften, wie Hitze- und Kälteresistenz sowie die Fähigkeit, auch längere Dürreperioden zu überstehen, schlummern in den Kühlschränken der Genbank.

Sogar die Zeit, welche die Pflanzen zum Wachstum von der Aussaat bis zur Ernte benötigen, unterliegt weitgehend dem Regime der Gene. Hühnererbsen, die in Südasien einen wichtigen Eiweißlieferanten darstellen, benötigen zwischen 75 und 150 Tage, wobei die längste Wachstumszeit häufig die größten Erträge bringt. Für die Taubenerbse, die zusätzlich noch als Windschutz, Brennstoff, Düngemittel und Viehfutter Verwendung findet, liegt die Wachstumszeit zwischen 110 und 180 Tagen.

Da beide Pflanzen erst nach der Regenperiode gesät werden, steht, besonders in trockenen Gebieten, oft nur wenig Zeit für das Wachstum der Frucht zur Verfügung. Aufgabe der Icrisat-Forscher ist es dann, für jeden Standort die „optimale“ Pflanze zu finden und der Natur gegebenenfalls durch Züchtung auf die Sprünge zu helfen.

„Jede Pflanze, die wir in die Genbank aufnehmen, wird genauestens auf ihre Eigenschaften überprüft“, erläutert Dr. Prasado Rao. Aus diesem Eignungstest gewinnen die Forscher der Genbank 30 bis 40 Meßwerte, die Aufschluß geben sollen über den optimalen Einsatz der Gewächse auf den Feldern der Welt. Auch für Versuche, bei denen günstige Eigenschaften verschiedener Wildstämme in weitverbreitete Rassen eingekreuzt werden, sind die Daten der Genbank unverzichtbar.

„Wir haben eine Politik der offenen Tür. Auf Anfrage kann jeder auf die hier registrierten Pflanzen zugreifen. Wir schicken ihm dann den Samen mit den gewünschten Eigenschaften zu“, betont Ryan die Richtlinien seines Instituts, das vorwiegend aus dem Steueraufkommen der industrialisierten Länder finanziert wird. Die Gesamtzahl der Proben, die von Hyderabad aus in die ganze Welt verschickt wurden, dürfte noch in diesem Jahr die Millionengrenze überschreiten.

Den finanziellen Nutzen dieser Aktionen kann Ryan nicht pauschal beziffern, doch zwei besonders erfolgreiche Icrisat-,“Produktionen“, die Perlhirsen ICMH 451 und WC-C75, brachten alleine den indischen Bauern einen Ertragszuwachs, dessen Wert den Jahresetat des Instituts übersteigt. Dennoch wäre es unrealistisch, auf eine zweite grüne Revolution zu hoffen, um die katastrophalen Folgen einer anhaltenden globalen Bevölkerungsexplosion zu mildern.

Zwar konnten in den sechziger Jahren mit hochgezüchteten Varietäten auf den Reisfeldern Asiens gewaltige Ertragssteigerungen erzielt werden; dies wurde jedoch erkauft durch eine starke Abhängigkeit von (teuren) Düngemitteln und (gefährlichen) Insektiziden. Nur wenn beides in reichem Maße vorhanden war, konnten die Rekordernten, die auf landschaftlichen Versuchsstationen erzielt wurden, auch in der Praxis erreicht werden. Dann kam die große Ernüchterung:

„Der unmäßige Gebrauch von Insektiziden im asiatischen Raum hat zu einer großen Anzahl von Schädlingsplagen geführt“, so Ryan. „Wir wissen, daß wir uns im Umgang mit der Natur nicht gerade mit Ruhm bekleckert haben.“ Diese Einsichten haben zum Umdenken geführt. Integrierter Pflanzenbau heißt die neue Philosophie, bei der biologische und chemische Methoden der Schädlingsbekämpfung sorgfältig aufeinander abgestimmt werden.

Im Zusammenspiel von schädlingsresistenten Pflanzen, Fruchtwechsel und variablen Saat- und Erntezeiten will man die Zahl der Mitesser unter einer wirtschaftlich akzeptablen Schwelle halten. Das offensichtlich unrealistische Vorhaben, die Schädlinge komplett auszurotten, gehört somit der Vergangenheit an. Ryan glaubt auch, den Grund für diesen Sinneswandel zu kennen: „Eine zunehmend kritische Öffentlichkeit hat in der agrochemischen Industrie zu einer gewissen Nervosität geführt. Man sorgt sich um Profite und das Image. In zehn Jahren werden die Vorräte an Insektiziden erschöpft sein, die im Westen längst verboten sind, aber immer noch ihren Weg in die Entwicklungsländer finden.“

Der integrierte Pflanzenbau werde daher eine immer wichtigere Rolle bei gemeinnützigen Instituten wie Icrisat spielen, prophezeit der Direktor. Dafür aber braucht man Geld, und das, bemängelt Ryan, wird zunehmend knapper. „Die Geberländer sind ziemlich selbstzufrieden geworden. Wahrscheinlich liegt das daran, daß es in den letzten Jahren keine wirklich großen Hungersnöte gegeben hat.“

(erschienen in „DIE WELT“ am 27. Dezember 1991. ICRISAT wurde besucht auf Einladung der Welternährungsorganisation der UNO (FAO))

Verdauungshilfe aus dem Genlabor

Ein gentechnisch hergestellter Futterzusatz soll schon im nächsten Jahr den Phosphatausstoß der Niederlande reduzieren helfen. Phytase, so der Name des Eiweißstoffes, ist für den Einsatz in der Schweine- und Geflügelzucht vorgesehen. Experten gehen davon aus, dass mit dieser Maßnahme jährlich 25 Millionen Tonnen Phosphat weniger freigesetzt werden. Dies ist mehr, als mit der Einführung phosphatfreier Waschmittel erreicht werden konnte.

Phosphate tragen maßgeblich zur Gewässerbelastung bei. Die Substanz wird in der Landwirtschaft in großen Mengen freigesetzt, da sie in der Gülle und auch im Kunstdünger enthalten ist. Da aber die riesigen Mengen Phosphat von den Kulturpflanzen nicht vollständig genutzt werden können, gelangt der Rest in die Flüsse und Meere. Heftiges Algenwachstum bis zum „Umkippen“ der Gewässer kann die Folge sein.

Auf einer Tagung der Deutschen Landwirtschafts-Gesellschaft stießen die Ausführungen von Dr. Rob Beudecker daher auf großes Interesse. Beudecker berichtete über Bemühungen, den Schadstoffausstoß der niederländischen Landwirtschaft zu reduzieren. Ausgangspunkt der Forscher war die Überlegung, dass handelsübliches Mischfutter für die Schweine- und Geflügelzucht mit mineralischem Futterphosphat ergänzt werden muss, obwohl der Phosphatgehalt pflanzlicher Nahrung theoretisch ausreichend für die Tiere wäre. Die Bioverfügbarkeit des Phosphates ist unzureichend, weil die Tiere das vorhandene Phosphat nur schlecht verwerten können.

Zwei Drittel des pflanzlichen Phosphates liegen nämlich in Form von Phytinsäure vor, welche nur mit einem bestimmten Eiweißstoff – der Phytase – „geknackt“ werden kann. Wiederkäuer bekommen die Phytase von Mikroorganismen im Pansen, geliefert, Schweine müssen ebenso wie Geflügel ohne die nützlichen Darmbewohner auskommen.

Das Enzym Phytase wird in gentechnisch veränderten Pilzen der Gattung Aspergillus hergestellt und als Futtermittelzusatz benutzt. Es verbessert die Aufnahme von Phosphat bei Geflügel und Schweinen und schont dadurch die Umwelt (Von Ayacop – adapted from http://www.pdb.org/pdb/files/1ihp.pdb using PyMOL, Gemeinfrei, via Wikipedia)

Die Idee, Phytase ins Futter zu mischen, wurde zwar schon vor 20 Jahren zum Patent angemeldet; erst jetzt aber bietet die Gentechnik die Möglichkeit, diesen Biokatalysator in großen Mengen zu niedrigen Preisen zu produzieren. Die Wissenschaftler der Firma Gistbrocades untersuchten über 1000 Mikroorganismen, um dann einen Pilz der Gattung Aspergillus zu isolieren, welcher eine Phytase produzierte, die den Ansprüchen des Marktes genügt: Das Eiweiß ist hochaktiv, vor allem unter den chemischen Bedingungen, die im Kropf des Geflügels sowie im Magen von Schweinen und Vögeln herrschen. Außerdem überlebt die Phytase aus Aspergillus die hohen Temperaturen, die bei der Pelletierung von Futtermitteln entstehen, fast ohne Aktivitätsverlust.

Um das Eiweiß in großen Mengen herstellen zu können, isolierten die Wissenschaftler den molekularen Bauplan für die Phytase und übertrugen dieses Gen erfolgreich auf einen Produktionsstamm. Bei der Verfütterung der so gewonnenen Phytase ergab sich, dass die Verfügbarkeit des Phosphates für Schweine und Geflügel um 20 Prozent zugenommen hatte, gleichzeitig wurde von den Tieren ein Drittel weniger Phosphat mit der Gülle ausgeschieden – was Beudecker für einen sinnvollen Beitrag zum Umweltschutz hält.

Beudecker erwartet jetzt eine Ausnahmegenehmigung der Regierung, sobald der Nachweis erbracht ist, dass die rekombinante Phytase für den Verbraucher unbedenklich ist. Schon im nächsten Jahr soll dann das Futtermittel in Zusammenarbeit mit der BASF auf den holländischen Markt gebracht werden.

In Deutschland ist eine solche Entwicklung übrigens nicht so schnell zu erwarten: In einer Empfehlung des Bundestages wurde die Regierung vor wenigen Wochen aufgefordert, sich in der EG dafür einzusetzen, dass gentechnische Methoden nicht eingesetzt werden, um in der Landwirtschaft weitere Leistungssteigerungen zu erzielen.

(erschienen in der WELT am 23. Oktober 1990. Letzte Aktualisierung am 16. April 2017)

Was ist daraus geworden? Gistbrocades wurde 1998 von der Firma DSM aufgekauft. Ganz selbstverständlich ist heute die Zugabe gentechnisch hergesteller Phytase zum Futter von Schweinen und Geflügel. Und wo früher Horrorszenarien zur Gentechnik an die Wand gemalt wurden, spricht man jetzt von einer „Verbesserung der Nachhaltigkeit“.

Umweltbelastung durch Ammoniak

Der Geruch von kleinen Mengen Ammoniak wird häufig mit würziger Landluft gleichgesetzt. Wenn aber jährlich in Europa 8,5 Millionen Tonnen emittiert werden, so scheint die Frage angebracht, wie sich diese enormen Mengen auf unsere Umwelt auswirken. Von den 22 bis 35 Millionen Tonnen Ammoniak, die jährlich weltweit freigesetzt werden, ist nur ein Zwanzigstel natürlichen Ursprungs.

Ammoniak trägt erheblich zur Verunreinigung der Luft bei und wird als möglicher Mitverursacher des Waldsterbens gehandelt. So die Bilanz eines vergangene Woche in Braunschweig veranstalteten Symposiums zum Thema „Ammoniak und Umwelt“. Hauptquellen des Gases sind landwirtschaftliche Betriebe, die Massentierhaltung betreiben und Äcker mit flüssigem und festen Mist düngen.

Nicht schön: Mit Gülle offensichtlich überdüngter Acker ist eine der Hauptquellen für umweltschädliches Ammoniak (Von Rasbak – Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0 via Wikipedia)

In Deutschland stammen mit über 500.000 Tonnen Ammoniak mehr als die Hälfte der Gesamtmengen vom Rindvieh, ein Fünftel aus der Schweinezucht und ein Viertel aus Düngemitteln, berechnete Dr. Willem Asman vom dänischen Umweltforschungsinstitut. In der Atmosphäre kann das einmal freigesetzte Ammoniak dann weiter reagieren. Es entsteht Ammonium NH4+, das ebenso wie Ammoniak als Düngemittel wirkt und in Form von Schwebstaub (Aerosol), Regen oder Schnee zur Erdoberfläche zurückkehrt.

Zwei Drittel aller stickstoffhaltigen Ablagerungen in Deutschland stammen aus den beiden Verbindungen Ammoniak und Ammonium. Jahreszeitliche Schwankungen in diesen Ablagerungen könnten unter anderem beim explosionsartigen Algenwachstum eine Rolle spielen, so Asman. Nicht alle Pflanzen jedoch profitieren von dem herabrieselnden Stickstoff. Mehr als zwei Drittel der bedrohten Gefäßpflanzen in Mitteleuropa bevorzugen eine stickstoffarme Umgebung, so dass es zum Rückgang bestimmter Arten kommt.

Obwohl Ammoniak und seine Abkömmlinge zunächst zu einer Wachstumssteigerung führen können, rufen überhöhte Ablagerungen eine Beschädigung der schützenden Wachsschicht auf den Blättern und eine bleibende Schädigung des Wurzelsystems hervor.

Was den höheren Pflanzen schadet, gereicht einigen hochspezialisierten Bakterienarten zum Vorteil. Durch den vermehrten Ammoniakgehalt der Luft scheinen Nitrifikanten ideale Wachstumsbedingungen vorzufinden. Zwei Gattungen dieser Mikroorganismen wandeln Ammoniak über einem Zwischenschritt zu Salpetersäure um.

In jüngster Zeit wurden die Bakterien, die sich normalerweise im Boden aufhalten, auch auf historisch wertvollen Gebäuden beobachtet, berichteten Eva Spieck und Dr. Wolfgang Sand vom Institut für Allgemeine Botanik an der Universität Hamburg. Im Rahmen eines Verbundprojektes des Forschungsministeriums, das mit jährlich über 13 Millionen Mark gefördert wird, wurden von der Hamburger Arbeitsgruppe um Professor Eberhard Bock fast 30 Gebäude untersucht, vom Kölner Dom bis zur Münchner Pinakothek.

Die mikrobiologische Untersuchung ergab ein erschreckendes Bild: Bis zu 10.000 Nitrifikanten machten sich an den untersuchten Gebäuden an einem Gramm Gestein zu schaffen und schädigten mit ihren Stoffwechselprodukten die wertvolle Bausubstanz. Dabei waren die Natur- und Kunststeine oft mehrere Zentimeter tief mit den Mikroorganismen befallen.

Die winzigen Organismen konnten in einer Simulationsanlage sogar im Beton ihre Spuren hinterlassen und den getesteten Sandstein durch Auswaschung von Calcium-Carbonat seiner Kittsubstanz berauben. Ob man die zunehmende Umweltbelastung durch Ammoniak und seine Reaktionsprodukte durch technische Maßnahmen wird lindern können, scheint zweifelhaft.

Dr. Klaus Isermann von der Landwirtschaftlichen Versuchsstation Limburger Hof der BASF verweist darauf, dass bei der Pflanzenproduktion etwa zwei Drittel der eingebrachten Nährstoffe genutzt werden, während dieser Wert für die Tierproduktion maximal 20 Prozent erreicht. Der größte Teil der inländischen Pflanzenfrucht wiederum endet als Futter in den Mägen, der Rinder und Schweine, sodass in der Gesamtbilanz der Landwirtschaft kaum ein Viertel des eingesetzten Stickstoffes genutzt wird.

(erschienen in der WELT am 16. Oktober 1990. Letzte Aktualisierung am 15. April 2017. Das Symposium wurde auch in Buchform zusammengefasst in: Ammoniak in der Umwelt, Kreisläufe, Wirkungen, Minderung)

Was ist daraus geworden? Das Problem ist nach all der Zeit noch immer ungelöst. Laut Umweltbundesamt sanken die Emmission zwischen 1990 und 2014 gerade mal um sieben Prozent. Und weiter: „Im Jahr 2015 wurden die Ammoniak-Emissionen aus dem Düngereinsatz in Deutschland anhand überarbeiteter Methoden komplett neu berechnet. Dabei ergaben sich deutlich höhere Emissionswerte als bisher angenommen. Im Ergebnis wird die nationale Emissionshöchstmenge auch im Jahr 2014 mit 740 Tsd. t massiv überschritten.“Ammoniak bleibt damit eines der am meisten unterschätzten Umweltgifte.