Die Rolle von Stickstoff in der Natur ist entscheidend für alle lebenden Organismen, und aktuelle Forschungen haben neue Erkenntnisse darüber geliefert, wie biologische Stickstofffixierung vor Sauerstoffstress geschützt werden kann. Ein interdisziplinäres Team von Wissenschaftlern an der Universität Freiburg hat das Shethna-Protein II untersucht, welches eine Schlüsselrolle im Schutz der Nitrogenase, dem Enzym, das Stickstoff bindet, spielt. Stickstoff ist nicht nur ein kritischer Bestandteil von Aminosäuren, Proteinen und Nukleinsäuren, sondern wird auch in der Landwirtschaft als Dünger eingesetzt, um Pflanzenwachstum zu fördern. Dennoch ist die Herstellung und Anwendung von chemischen Stickstoffdüngemitteln energie- und umweltintensiv, was die Notwendigkeit, natürliche Stickstofffixierungsmechanismen zu verstehen, verstärkt, um nachhaltigere landwirtschaftliche Praktiken zu entwickeln.
Forscher um Prof. Oliver Einsle haben festgestellt, dass das Shethna-Protein II bei einem Anstieg der Sauerstoffkonzentration schnell einen Komplex mit der Nitrogenase bildet. Diese Reaktion schützt die aktivierenden Zentren des Enzyms vor oxidativer Schädigung, die durch Sauerstoff während der Photosynthese der Pflanzen entstehen kann. Nach der Überwindung des Sauerstoffstresses löst sich dieser Komplex, sodass das Enzym wieder aktiv werden kann. Dies ist besonders wichtig, da Nitrogenase in Anwesenheit von Sauerstoff nicht funktioniert, was die Entwicklung von Pflanzen, insbesondere in stickstoffarmen Böden, kritisch beeinflussen könnte. Die Bedeutung dieser Entdeckung ist weitreichend und könnte innovative Ansätze für die Erhöhung der Stickstoffverfügbarkeit in der Landwirtschaft bieten, ohne auf chemische Düngemittel zurückgreifen zu müssen.
Mechanismen der Stickstofffixierung
Biologische Stickstofffixierung erfolgt primär durch spezialisierte Mikroorganismen, insbesondere durch bestimmte Bakterien, die N₂ aus der Luft in biologisch verwertbare Formen umwandeln. Zu den bekanntesten stickstofffixierenden Bakterien gehören Rhizobien, die in Symbiose mit Leguminosen leben. Dieser Prozess verbessert nicht nur die Stickstoffzufuhr für Pflanzen, sondern reduziert auch die Abhängigkeit von externen Stickstoffquellen und fördert die Bodenfruchtbarkeit. Die grundlegende chemische Reaktion, die dabei stattfindet, lautet:
- N₂ + 8H⁺ + 8e⁻ → 2NH₃ + H₂
Pflanzen senden Flavonoide aus, um die Bakterien anzulocken, was die Produktion von Nod-Faktoren in diesen Mikroben auslöst. Diese Faktoren sind entscheidend für die Bildung von Wurzelknöllchen, die zur Stickstofffixierung notwendig sind. Leghemoglobin, das in diesen Knöllchen vorkommt, sorgt für eine sauerstoffarme Umgebung, die das Arbeiten der Nitrogenase unterstützt.
Die Herausforderungen der chemischen Stickstofffixierung
Im Gegensatz zur natürlichen Stickstofffixierung erfolgt die chemische Stickstofffixierung industriell, hauptsächlich durch das Haber-Bosch-Verfahren, das hohe Temperaturen und Druck erfordert. Diese Methode ist energieaufwendig und trägt signifikant zum globalen Energieverbrauch bei, was etwa 1-2% ausmacht. Die chemische Umwandlung von N₂ in NH₃ ist im Wesentlichen so formuliert:
- N₂ + 3H₂ → 2NH₃
Die Herausforderungen, die mit der chemischen Stickstofffixierung verbunden sind, umfassen den hohen Energiebedarf und die potenziellen Umweltbelastungen. Durch das Verständnis der biologischen Mechanismen, unterstützt durch neue Erkenntnisse wie das Shethna-Protein II, eröffnen sich möglicherweise Wege, um den Bedarf an industriell erzeugten Düngemitteln zu verringern und nachhaltigere Praktiken in der Landwirtschaft zu fördern.
Diese vielversprechenden Forschungsergebnisse, die in einer aktuellen Veröffentlichung zusammengefasst sind, könnten die Zukunft der nachhaltigen Landwirtschaft entscheidend beeinflussen und zeigen, wie wichtig es ist, die Symbiose zwischen Pflanzen und stickstofffixierenden Bakterien zu fördern. Weitere Details zu der Studie finden Sie in den Arbeiten von Nature und Universität Freiburg.