Probiotica verbeteren de stikstofvoorziening van planten
- Bacteriën op en in de wortels van planten kunnen stikstof uit de lucht binden, maar ze doen het niet altijd;
- Met genetische technieken kun je schakelaars in het DNA aan- of uitzetten waardoor de bacterien wel continu stikstof uit de lucht blijven binden;
- De hoeveelheden zijn bescheiden, maar omdat er vrijwel niet verloren gaat, is er toch beduidend minder kunstmest of dierlijke mest nodig;
Eiwitrijke gewassen zoals bonen, maar ook klaver, zijn in staat om stikstof uit de lucht te binden en zo in hun nitraatbehoefte te voorzien. Dat kunnen ze dankzij het feit dat ze bepaalde bodembacteriën van de soort Rhizobium weten te verleiden om wortelknolletjes te vormen. In ruil voor onderdak en energie in de vorm van suikers (exudaat) zetten deze bacteriën een set enzymen aan het werk, hun nitrogenase-complex, waarmee ze inerte stikstof uit de lucht vastleggen in een voor de plant opneembare vorm.
Probiotica avant la lettre
Die klassieke vorm van stikstofbinding leidde al ruim voor de Tweede Wereldoorlog tot het toepassen van probiotica avant la lettre in de landbouw. Zaden van erwten en bonen werden behandeld met Rhizobium-bacteriën waardoor ze al kort na ontkieming konden profiteren van de vastgelegde stikstof. Een vergelijkbare methode wordt momenteel toegepast in het onderzoeks- en ontwikkelingsprogramma N2Africa, waarbij de zaden van vlinderbloemige voedingsgewassen zoals soja en veldboon worden voorbehandeld met de geëigende Rhizobium variëteiten.
De afgelopen veertig jaar zijn er veel pogingen om de genetische blauwdruk die vlinderbloemigen in staat stelt om Rhizobium-bacteriën te verleiden tot permanente inwoning in ruil voor stikstofbinding over te zetten naar andere gewassen. Tot op heden is daar weinig van terecht gekomen. Wel zijn er een paar inheemse maïsvariëteiten gevonden hoog in de bergen van Mexico, die in de slijmlaag op hun luchtwortels nog onbekende bacteriën hebben die stikstof kunnen binden. We schreven er al eerder over[i].
Vrij levende stikstofbinders bieden nieuw perspectief
Ook de oprichters van Pivot Bio, Karsten Temme en Alvin Tamsir, liepen in eerste instantie stuk op de complexiteit van de biologische stikstofbinding. Het overbrengen van de genetische blauwdruk voor naar andere gewassen dan vlinderbloemigen bleek toch niet zo eenvoudig als ze in hun eerste ondernemersenthousiasme dachten. Op een gegeven moment dreigden ze door hun geld heen te raken. Volgens het verhaal[ii] wilden ze er al de brui aan geven en gingen ze naar een café om het onvermijdelijke te bezegelen met een kop koffie. Terwijl ze daar zaten kregen ze ineens een brainwave.
Een jaar of acht daarvoor had Sharon Doty, na veel tegenwerking een artikel gepubliceerd weten te krijgen. Daarin liet zien dat er Rhizobium bacteriën voorkwamen op en in de wortels van populieren, zonder dat zich wortelknolletjes hadden gevormd[iii]. Waarom, zo bedachten Temme en Tamsir boven hun koffie, zouden we moeizaam blijven sleutelen aan planten als we ook en waarschijnlijk met meer perspectief kunnen werken vrij levende stikstofbindende bacteriën.
Genetische schakelaars omzetten
Elk gewas heeft zijn eigen, specifieke microbioom, de bacteriële gemeenschap in en op de wortels. Het begint, zo mailt de woordvoerder van Pivot Bio Tracy Willits, met een nauwkeurige analyse van dat microbioom, waarbij we zoeken naar micro-organismen die in staat zijn stikstof uit de lucht te binden. Die zijn er vrijwel altijd, maar in de praktijk doen die bacteriën dat niet of nauwelijks. Dat heeft te maken met de aanwezigheid van ammonium of nitraat in de bodem bijvoorbeeld door toedienen van dierlijke mest of kunstmest. Ook een teveel aan zuurstof remt de stikstofbinding.
Bij Pivot Bio worden die bacteriën zodanig gemodificeerd dat ze wel stikstof gaan binden en dat ook blijven doen. Met behulp van genetische technieken worden schakelaars in het bacterie-DNA aan- of uitgezet en wel op zon manier dat het natuurlijke vermogen tot stikstofbinding permanent aan staat, ook als er al gebonden stikstof in de wortelzone aanwezig is.
Het afgelopen jaar zijn verschillende veldproeven gedaan met maïs. Het blijkt het meest effectief om de probiotica te gebruiken als alternatief voor de startgift. Bij het inzaaien van de maïs wordt een vloeistof met bacteriën in de bouwvoor gegoten, waarna de bacteriën zich in de wortelzone vestigen en deel uit gaan maken van het microbioom.
(Kunst-)mest blijft nodig
De hoeveelheden stikstof die op deze manier worden vastgelegd zijn bescheiden, in de orde van 25 kilo per hectare. Het voordeel is wel dat er geen verliezen zijn, schrijft Tracy Willits. De symbiotische relatie tussen plant en bacterie zorgt ervoor dat de productie van gebonden stikstof is afgestemd op de behoefte van de plant. Dat levert niet alleen financieel voordeel op, maar ook milieuvoordelen. Er spoelt geen stikstof meer uit of af naar grond- en oppervlaktewater en het verdwijnt ook niet als ammoniak of lachgas in de atmosfeer. Een bijkomend voordeel is dat je minder kunstmest nodig hebt en daarmee ook minder (fossiele) energie. Ook hoeft de boer een keertje minder met de kunstmeststrooier over de akker.
Sleutelen aan bodembacteriën lijkt een interessante manier om de verliezen aan stikstof te verminderen, maar het is niet zo dat daarmee binnenkort de kringloop zal worden gesloten. In de loop van het groeiseizoen moet nog steeds kunstmest of dierlijke mest worden toegediend, zij het minder dan gebruikelijk. Vooralsnog blijven we nog afhankelijk van het Haber-Bosch procede om stikstof uit de lucht vast te leggen. Schattingen lopen uiteen, maar zonder kunstmest zouden drie miljard mensen honger lijden en/of ernstig eiwitgebrek hebben. Het is echter al heel wat als we de beschikbare stikstofmeststoffen biologisch dan wel synthetisch efficiënter weten te benutten.
Veel animo voor biologische stikstofbinding
Naast Pivot Bio[iv] zijn er verschillende andere bedrijven die de biologische stikstofbinding in vrijlevende bodembacteriën willen benutten. Het Britse Azotic Technologies[v] maakt gebruik van de bodembacterie Gluconacotobacter diazotrophicus die zich normaliter ophoudt in de wortelzone van suikerriet. Intrinsyx Bio[vi] in Silicon Valley maakt gebruik van vrijlevende Rhizobium bacteriën, geisoleerd uit de wortelzone van de populier en in Boston sleutelt het bedrijf Joyn Bio[vii] aan verder niet nader omschreven bodembacterien om planten efficiënt van stikstof te voorzien. Hoe serieus de ontwikkeling is blijkt wel uit het feit dat laatstgenoemd bedrijf, Joyn Bio een joint venture is van Ginkgo Bioworks en agromultinational Bayer.
Een mening over dit artikel? Reageer op onze Twitter, Facebook, Instagram en LinkedIn. Een opinieartikel is ook van harte welkom. Mail dan even met de redactie (redactie@agrio.org). Geïnteresseerd in de andere artikelen van VORK? Word abonnee of vraag een gratis proefnummer aan.
Tekst: Joost van Kasteren Beeld: Ellen Meinen
[i] https://www.vork.org/nieuws/mais-dat-stikstof-kan-binden/
[ii] https://grist.org/article/billionaires-and-bacteria-are-racing-to-save-us-from-death-by-fertilizer/
[iii] https://www.researchgate.net/publication/286993524_Identification_of_an_endophytic_Rhizobium_in_stems_of_Populus
[v] http://www.azotictechnologies.com