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Pflanzen nehmen über ihre Wurzeln nicht nur Nährstoffe auf, sondern auch giftige Metalle. Unklar war bislang, ob sie aus dem Boden oder den ausgebrachten Düngemitteln stammen. Unter Federführung des UFZ und der Duke University (USA) hat ein Forschungsteam zur Klärung der Frage Weizenkörner untersucht und anhand einer speziellen Isotopensignatur herausgefunden, dass der Großteil der giftigen Metalle aus dem mineralischen Dünger kommt. Eine Kombination aus mineralischer und organischer Düngung würde nicht nur den Gehalt an giftigen Metallen reduzieren, sondern auch den Gehalt an Metallen erhöhen, die für die menschliche Ernährung wichtig sind.
„Aus Feld- und Gewächshausstudien ist bekannt, dass die Art der Düngung, also mineralisch oder organisch, einen Einfluss auf die Metallgehalte in Nahrungsmittelpflanzen hat“, sagt Prof. Dr. Marie Muehe, Leiterin der Arbeitsgruppe Pflanzen-Biogeochemie am UFZ und Co-Studienleiterin der Publikation. „Doch man wusste bislang nicht, ob die durch die Pflanzen aufgenommenen Metalle aus dem Boden oder direkt aus den aufgebrachten Düngemitteln stammen.“ Das wollte das deutsch-amerikanische Forschungsteam mit seiner aktuellen Studie herausfinden.
Dafür nutzten die Wissenschaftler:innen Bodenproben sowie Weizenkörner aus dem Statischen Düngungsversuch der UFZ-Forschungsstation Bad Lauchstädt. Der Statische Düngungsversuch wurde bereits im Jahr 1902 angelegt und gehört insbesondere aufgrund seiner langen Versuchsdauer zu den wertvollsten Dauerversuchen der Welt. „Einige Versuchsfelder wurden seit über 120 Jahren nicht gedüngt, andere nur mit Mineraldünger oder mit organischem Dünger wie Stallmist von landwirtschaftlichen Betrieben aus der Nachbarschaft oder aber mit einer Mischung aus beidem“, erklärt Marie Muehe. Über die lange Versuchsdauer haben sich die Bodeneigenschaften stark auseinanderentwickelt, zum Beispiel der pH-Wert oder der Gehalt an organischer Substanz. Das Probenmaterial aus diesem Langzeitversuch war daher die perfekte Grundlage für die Untersuchungen. Hinzu kommt eine hervorragende Datenbasis, denn jedes Jahr werden von allen Versuchsflächen Bodenproben und geerntete Weizenkörner archiviert.
Für ihre Studie nahmen die Forschenden die Proben der vergangenen 20 Jahre genauer unter die Lupe. „Dabei haben wir zuerst die jeweiligen Metallgehalte im Boden, in den geernteten Weizenkörnern sowie in den verwendeten Düngemitteln bestimmt“, erklärt Aleksandra Pieńkowska, UFZ-Doktorandin und Co-Erstautorin der Studie. Um herauszufinden, ob die in den Weizenkörnern enthaltenen Metalle aus dem Boden oder dem Dünger stammen, haben die Forschenden ein spezielles Verfahren angewandt: die sogenannte Strontium-Isotopensignatur-Methode. Sie beruht darauf, dass das chemische Element Strontium (Sr) in zwei unterschiedlichen Formen – sogenannten Isotopen – vorkommt, nämlich 87Sr und 86Sr. „Da das Verhältnis dieser beiden Isotope in jedem Boden anders ist, ist das im Prinzip so etwas wie ein Fingerabdruck“, erklärt Robert Hill, Doktorand an der Duke University (Durham, USA) und Co-Erstautor der Studie. „Wenn im Weizenkorn dasselbe Verhältnis vorliegt wie im Boden, auf dem die Pflanze gewachsen ist, kann man daraus schließen, dass sie das Strontium aus dem Boden aufgenommen hat. Wenn das Isotopenverhältnis im Korn jedoch dem des Düngers entspricht, ist das ein klarer Hinweis darauf, dass das Strontium über den Dünger ins Korn gelangt ist.“ Und da bekannt ist, dass Pflanzen Strontium und Cadmium über ähnliche Wege aufnehmen, lassen sich daraus auch Rückschlüsse für Cadmium ziehen.
Die Ergebnisse zeigen zum einen, dass die giftigen Metalle in den untersuchten Weizenkörnern aus dem ausgebrachten Dünger stammen und nicht aus dem Boden. Zum anderen sind die Metallgehalte bei mineralischer Düngung im Vergleich zur organischen Düngung besonders hoch. „Zur Einordnung dieser Ergebnisse ist es wichtig zu wissen, dass unsere Untersuchungen in einer Region mit sehr fruchtbaren Schwarzerde-Böden gemacht wurden. Bei sandigen oder sauren Böden könnten diese Effekte noch deutlicher zutage treten“, sagt Alexandra Pieńkowska. Vor dem Hintergrund, dass auch eine dauerhafte mineralische Düngung die Versauerung des Bodens bewirkt, gewinnen Maßnahmen zur Stabilisierung des pH-Wertes, etwa die Kalkung des Bodens, noch einmal an Bedeutung.
Nicht alle in mineralischen Düngemitteln enthaltenen Metalle sind jedoch unerwünscht. Zink etwa ist ein für die Ernährung wichtiges metallisches Spurenelement. Doch kann die Aufnahme von Zink ins Weizenkorn gefördert und dabei gleichzeitig die Aufnahme von giftigen Metallen verhindert werden? „Auch das haben unsere Untersuchungen gezeigt: Durch Kombination der Düngemittel konnte der Zinkgehalt im Weizenkorn tatsächlich erhöht werden, ohne dass der Cadmium-Gehalt anstieg“, sagt Marie Muehe. „Wir empfehlen daher eine kombinierte Düngung bzw. das Ausbringen von mineralischen und organischen Düngemitteln im Wechsel. Das spart zum einen Kosten für Dünger ein, zum anderen hat das Korn eine höhere Qualität.“
In weiterführenden Studien wollen die Forschenden untersuchen, wie sich die Metallgehalte in Nutzpflanzen verhalten, wenn sich Umweltbedingungen, etwa durch den Klimawandel, verändern.
Prof. Dr. Marie Muehe
UFZ-Department Angewandte Mikrobielle Ökologie
marie.muehe@ufz.de
Robert C. Hill, Aleksandra Pieńkowska, Ines Merbach, Thomas Reitz, E.Marie Muehe, Avner Vengosh: Impacts of fertilization on metal(loid) transfer from soil to wheat in a long-term fertilization experiment – using 87Sr/86Sr isotopes as metal(loid) tracer; Environment International; October 2025.
https://doi.org/10.1016/j.envint.2025.109851
https://www.ufz.de/index.php?de=39220
https://www.ufz.de/index.php?de=39922
Der Großteil der giftigen Metalle kommt aus dem mineralischen Dünger. Eine Kombination aus mineralis ...
Copyright: Aleksandra Pieńkowska / UFZ
Getreideernte im Statischen Düngungsversuch in der UFZ-Versuchsstation Bad Lauchstädt (Sachsen-Anhal ...
Quelle: André Künzelmann
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Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, Studierende, Wissenschaftler
Biologie, Chemie, Tier / Land / Forst, Umwelt / Ökologie
überregional
Forschungsergebnisse, Wissenschaftliche Publikationen
Deutsch
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