Weniger Einsatz von Pestiziden dank Nanopartikeln

Eine der größten Herausforderungen für die heutige Landwirtschaft ist der extensive Einsatz von Düngemitteln und Pestiziden. Da immer mehr Produkte verboten sind oder als gefährlich für die Gesundheit von Mensch und Tier gelten, ist der Bedarf an Ersatzstoffen akut. Ein Ansatz ist die Stimulierung der pflanzeneigenen Immunabwehr gegen Pathogenangriffe. Kieselsäure, die natürlich im Boden vorkommt, ist dafür bekannt, solche Reaktionen in Pflanzen zu provozieren, und amorphe Kieselsäure-Nanopartikel können diese Substanz in kleinen Mengen freisetzen. Diese Nanopartikel, die auch in vielen Nahrungspflanzen wie z. B. Getreide natürlich vorkommen, sind weiter verbreitet, als die meisten Menschen denken. Sie sind Bestandteil von lebensmittelechtem Siliziumdioxid (SiO2), das auf Etiketten und Verpackungen als E551 bezeichnet wird, und werden seit Jahrzehnten in einer Vielzahl von Produkten wie Kochsalz, Tabletten oder Proteinpulvern verwendet, um ein Verklumpen zu vermeiden.

Erhöhte Widerstandsfähigkeit

Vor diesem Hintergrund wollten die Freiburger Forscher eine umweltverträgliche Nano-Agrochemikalie schaffen, die gezielt Kieselsäure abgibt und die Pflanzenabwehr stimuliert. Sie synthetisierten Siliziumdioxid-Nanopartikel mit ähnlichen Eigenschaften wie in Pflanzen. Um ihre Effizienz zu testen, applizierten sie die Nanopartikel auf Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand), ein weit verbreitetes Pflanzenmodell, das mit dem bakteriellen Schädling Pseudomonas syringae, einem weiteren Modellorganismus, infiziert war. Die Ergebnisse zeigten, dass ihre Nanopartikel die Resistenz gegen das Bakterium dosisabhängig steigern können, indem sie das pflanzliche Abwehrhormon Salicylsäure (das auch der Wirkstoff von Aspirin ist) stimulieren. Die Forscher untersuchten auch die Wechselwirkungen der Nanopartikel mit Pflanzenblättern. Sie konnten zeigen, dass die Aufnahme und Wirkung der Nanopartikel ausschließlich über die Blattporen (Stomata) erfolgt, die der Pflanze die Atmung ermöglichen. Die Nanopartikel verteilten sich nicht weiter in den Pflanzen, und die Partikel bauen sich in Gegenwart von Wasser spurlos ab - ein wichtiger Aspekt für die Umwelt- und Lebensmittelsicherheit. Im Vergleich zu freier Kieselsäure, die bereits im Pflanzenschutz eingesetzt wird, verursachten die Kieselsäure-Nanopartikel durch die langsame Freisetzung der Kieselsäure weniger Stress für die Pflanzen und für andere Bodenmikroorganismen. Die Studie, die in der hochrangigen Fachzeitschrift Nature Nanotechnology veröffentlicht wurde, zeigt, dass Kieselsäure-Nanopartikel als kostengünstige, hocheffiziente, sichere und nachhaltige Alternative für den Schutz vor Pflanzenkrankheiten dienen könnten.

Innovation

Zukünftige Forschungen könnten die Untersuchungen auf ein breiteres Spektrum von Pflanzenpathogenen ausweiten, so die Forscher, etwa auf andere Bakterien, Insekten oder Viren. Sie betonen jedoch, dass vor einer breiten Anwendung von Nanopartikeln als Nano-Biostimulanzien und -Dünger eine gründliche Analyse erforderlich ist, um den möglichen langfristigen Verbleib von Silica-Nanopartikeln in der Umwelt zu bewerten.

Der Studie, einer Zusammenarbeit unter der Leitung der AMI BioNanomaterials Ambizione Stipendiatin Dr. Fabienne Schwab und dem Postdoktoranden Dr. Mohamed El-Shetehy des Departements für Biologie, ging ein erstes Anwendungsprojekt voraus. Schwab entwickelte einen patentierten abbaubaren Nanopartikel zur gezielten Wirkstoffabgabe und zur Stimulation der Pflanzenresistenz. Seit diesem Jahr führt Schwab mit Unterstützung der Schweizer Innovationsagentur Innosuisse gemeinsam mit ihren Partnern von der Westschweizer Fachhochschule Freiburg und der Hochschule für Agrar-, Forst- und Lebensmittelwissenschaften der Berner Fachhochschule Feldversuche durch und skaliert die Produktion der Nanopartikel hoch.

Originalveröffentlichung: Nature nanotechnology - Silica nanoparticles enhance disease resistance in Arabidopsis plants
Quelle: Adolphe Merkle Institute - Reducing pesticide use with nanoparticles
Bildquelle: Wikimedia Commons - Salicyna