Welche Rolle spielen Bakterien im Nährstoffkreislauf?

Bodenbakterien sind winzige, aber unverzichtbare Akteure im Nährstoffkreislauf – sie helfen dabei, Nährstoffe wie Stickstoff und Phosphor für Pflanzen verfügbar zu machen und fördern so die Bodenfruchtbarkeit. In diesem Artikel erfährst du, wie diese Mikroorganismen nicht nur das Pflanzenwachstum unterstützen, sondern auch zur Optimierung der Bodengesundheit beitragen können.

Kernaussagen

• Bakterien als Schlüssel zur Bodenfruchtbarkeit: Bodenbakterien halten den Nährstoffkreislauf aufrecht und fördern das Pflanzenwachstum, indem sie zum Beispiel Stickstoff fixieren und organisches Material zersetzen.

• Nachhaltige Landwirtschaft durch Mikroorganismen: Eine gezielte Förderung bestimmter Bakterien kann die Abhängigkeit von Düngemitteln reduzieren und langfristig für eine höhere Bodengesundheit sorgen..

• Schutz vor Pflanzenkrankheiten durch Bakterien: Einige Bodenbakterien wirken als natürliche Feinde von Krankheitserregern und unterstützen so die Gesundheit deiner Pflanzen.

Welche Rolle spielen Bakterien in unseren Böden? 

 Bakterien spielen eine entscheidende Rolle in der Bodenökologie und sind ein wesentlicher Bestandteil des Edaphons (Bodenlebewesen). Obwohl der Anteil organischer Substanz im Boden im Vergleich zu den anderen Bestandteilen relativ gering ist, haben Bakterien einen bedeutenden Einfluss auf die Bodenfruchtbarkeit, die Nährstoffverfügbarkeit und die Struktur des Bodens. Ihre vielfältigen Funktionen umfassen unter anderem:

1. Pathogen-Kontrolle

Einige Bodenbakterien wirken antagonistisch gegenüber pflanzenpathogenen Organismen. Sie produzieren Antibiotika oder andere antimikrobielle Substanzen, die das Wachstum von Krankheitserregern hemmen. Außerdem konkurrieren sie mit schädlichen Mikroorganismen um Ressourcen und Lebensraum.

Quelle: ​​Understanding Soil Microbes and Nutrient Recycling. (n.d.). Ohioline. https://ohioline.osu.edu/factsheet/SAG-16

2. Zersetzung organischer Substanz

Bakterien sind maßgeblich an der Zersetzung organischen Materials beteiligt. Sie bauen abgestorbenes pflanzliches und tierisches Material ab, wodurch sie die Freisetzung von Nährstoffen wie Stickstoff, Phosphor und Schwefel fördern. Dieser Abbauprozess ist entscheidend für die Humusbildung, die wiederum die Bodenstruktur verbessert und die Wasserhaltefähigkeit des Bodens erhöht.

3. Bodenstruktur und -stabilität

Bakterien tragen zur Aggregation von Bodenpartikeln bei, indem sie Polysaccharide und andere klebrige Substanzen absondern, die die Partikel zusammenhalten. Dies führt zu einer verbesserten Bodenstruktur, die die Durchlüftung und Wasserinfiltration begünstigt.

4. Nährstoffzyklen

Bakterien sind unverzichtbar für die verschiedenste Nährstoffkreisläufe im Boden, darunter dem: 

• Stickstoffkreislauf: Bestimmte Bakterien, wie Rhizobien, fixieren atmosphärischen Stickstoff und machen ihn für Pflanzen verfügbar. Andere Bakterien sind an der Nitrifikation (Umwandlung von Ammonium zu Nitrat) und Denitrifikation (Umwandlung von Nitrat zu Stickstoffgas) beteiligt.

• Phosphorkreislauf: Phosphat-lösende Bakterien setzen Phosphor aus organischen Verbindungen frei, wodurch dieser für Pflanzen verfügbar wird.

• Schwefelkreislauf: Schwefeloxidierende und -reduzierende Bakterien tragen zur Umwandlung von Schwefelverbindungen bei, die für das Pflanzenwachstum essentiell sind.

5. Förderung des Pflanzenwachstums

Einige Bakterien fördern durch die Produktion von Pflanzenhormonen, wie Auxinen, die das Wurzelwachstum stimulieren, direkt das Pflanzenwachstum. Andere Bakterien bilden Symbiosen mit Pflanzenwurzeln, verbessern die Nährstoffaufnahme und schützen die Pflanzen vor Pathogenen.

Verschiedene Arten von Bakterien 

Bakterien sind winzige Einzeller, die im Boden hauptsächlich organisches Material konsumieren und so für Pflanzen und andere Bodenlebewesen verwendbar machen.

Bei Bakterien im Boden wird zwischen vier verschiedenen Gruppen unterschieden, welche einen Einfluss auf den Wasser- und Nährstoffhaushalt des Bodens sowie die Anfälligkeit von Krankheiten haben:

1. Die größte Gruppe sind die Zersetzer. Neben organischem Material können sie auch Schadstoffe konsumieren und unschädlich machen. Ihre Hauptaufgabe ist es Nährstoffe wie Stickstoff zu immobilisieren oder in ihren Zellen zurückzuhalten, um Stickstoffversickerungen zu verhindern. 

2. Die Mutualisten machen die zweitgrößte Gruppe aus. Sie gehen Partnerschaften mit Pflanzen ein - viele von ihnen sind besser bekannt als N-fixierende Bakterien. Diese Bakterien leben in Symbiose mit Pflanzenwurzeln und helfen dabei, atmosphärischen Stickstoff zu fixieren und in eine Form umzuwandeln, die von Pflanzen genutzt werden kann. Ein bekanntes Beispiel sind die Rhizobien, die mit Leguminosen interagieren und so die Bodenfruchtbarkeit erhöhen.

3. Pathogene sind Krankheitserreger und können Pflanzen schädigen oder zerstören. Bekannte Beispiele sind Erwinia, das Weichfäule bei Pflanzen verursacht, und Agrobacterium, das Tumore (Gallen) an Pflanzen hervorruft. Diese pathogenen Bakterien stellen eine Herausforderung für die Landwirtschaft dar, da sie die Gesundheit der Pflanzen und somit den Ertrag negativ beeinflussen können.

4. Lithotrophe Bakterien, auch Chemolithotrophe genannt, sind spezielle Bakterien, die ihre Energie aus chemischen Reaktionen mit anorganischen Stoffen gewinnen, anstatt aus organischen Stoffen oder Sonnenlicht. Sie nutzen Substanzen wie Ammonium, Nitrit, Schwefel oder Eisen, um Energie zu erzeugen. Diese Bakterien sind besonders wichtig für verschiedene Nährstoffkreisläufe. Zum Beispiel helfen sie im Stickstoffkreislauf bei der Umwandlung von Ammonium zu Nitrit und Nitrat (Nitrifikation), was für Pflanzen im Wachstum notwendig ist. Im Schwefelkreislauf wandeln sie Schwefelverbindungen um und machen sie ebenfalls für Pflanzen verfügbar. Durch ihre Arbeit tragen sie dazu bei, Nährstoffe im Boden zu mobilisieren, also für Pflanzen leichter zugänglich zu machen.

Knöllchenbakterien 

Die Symbiose mit Knöllchenbakterien (Rhizobien) ermöglicht es einigen Pflanzenarten, wie Hülsenfrüchten (Erbsen, Bohnen, Kichererbsen) und bestimmten Getreidearten (Reis), Stickstoff aus der Atmosphäre zu nutzen und reduziert den Bedarf an Stickstoffdüngung. Diese Symbiose entstand durch seltene Mutationen, die es den Pflanzen erlaubten, sich mit den Bakterien zu verbinden.

Rhizobien besiedeln die Schleimhülle der Wurzelhaare, wodurch sich knöllchenartige Strukturen entwickeln. Die Pflanzen versorgen die Bakterien mit Kohlenhydraten und anderen organischen Stoffen, während sie selbst Stickstoff erhalten. An einigen Standorten in Deutschland sind diese Bakterien nicht innerhalb der Böden enthalten. In Nord- und Ostdeutschland sind beispielsweise keine oder wenige sojaspezifischen Knöllchenbakterien im Boden vorhanden. Daher sollte das Saatgut im Vorhinein mit den notwendigen Rhizobien geimpft werden, um eine optimale Stickstofffixierung zu gewährleisten.

Weitere N-Fixierende Bakterien

Im Boden gibt es stickstoff-fixierende Bakterien, welche keine Symbiosen mit Pflanzen eingehen.  

Freilebende Bakterienarten wie Azotobacter oder Clostridium können elementaren Stickstoff aus der Atmosphäre konsumieren, ohne sich zwangsläufig an Wurzeln binden zu müssen. Dabei nutzen sie Kohlenhydrate, die sie entweder aus organischem Material im Boden gewinnen oder selbst durch die Oxidation von Botenstoffen produzieren, um die Energie für die Stickstofffixierung zu erhalten. Diese Bakterien leben unabhängig von Pflanzen, tragen aber dennoch zur Stickstoffanreicherung im Boden bei, was das Pflanzenwachstum fördert und den Einsatz von Stickstoffdüngern verringern kann. 

Bakterien aus der Gattung Azospirillum binden sich, ähnlich wie Rhizobien, an die Wurzeln von Pflanzen und gehen eine Symbiose mit diesen ein. Dort fixieren sie atmosphärischen Stickstoff und erhöhen die Wurzelhaarbildung, was ausschlaggebend für die Wasseraufnahme der Pflanze ist. In vielen biologischen Düngern sind Azospirillumbakterien dank ihrer Fähigkeiten ein Grundstoff. 

Phosphor-solubilisierende Bakterien

Phosphor ist ein Makronährstoff, der entscheidend für das Pflanzenwachstum, die Photosynthese sowie das Wurzelwachstum ist. P-Dünger sind teuer, kommen nur begrenzt vor und können, wenn sie ausgewaschen werden, in Form von Eutrophierung Umweltschäden anrichten. Außerdem können die Pflanzenwurzeln Phosphor nur in Form von Phosphationen aufnehmen. Deshalb ist es wichtig, die im Boden vorhandenen Phosphorvorkommen zu nutzen, indem sie  von den Bodenlebewesen in pflanzenverfügbare Formen umgewandelt werden. 

Dabei helfen Phosphor-solubilisierende Bakterien (PSB). Diese haben, wie der Name schon sagt, die Fähigkeit  Phosphor aufzulösen, und ihn so für Pflanzen verfügbar zu machen. Für eine nachhaltige Landwirtschaft ist die Förderung dieser Art von Bakterien besonders wichtig, da gelöster Phosphor ein Element ist, an dem es in Böden mangelt. Maßnahmen, die PSB unterstützen können sind: Organische Düngung, PSB-enthaltende Mikrobenpräparate, genügend Bodenfeuchtigkeit, ein pH-Wert zwischen 6 und 7, sowie ein reduzierter Einsatz von Pflanzenschutzmitteln. 

Bacillus megaterium

Bacillus megaterium ist ein bedeutendes Bakterium im Phosphorkreislauf, da es zur Gruppe der Phosphat-lösenden Bakterien gehört. Es setzt Phosphat aus organischen Verbindungen, wie Phytat, frei, indem es spezielle Enzyme produziert, die organische Phosphorverbindungen abbauen. Durch diesen Prozess wird anorganisches Phosphat freigesetzt, das für Pflanzen direkt verfügbar ist. 

Thiobacillus thiooxidans

Thiobacillus thiooxidans ist ein wichtiges Bakterium im Schwefelkreislauf, insbesondere bei der Schwefeloxidation. Es oxidiert Schwefelwasserstoff (H₂S) und elementaren Schwefel zu Schwefelsäure (H₂SO₄), die im Boden weiter zu Sulfat (SO₄²⁻) umgesetzt wird. Dieses Sulfat kann von Pflanzen aufgenommen werden, um schwefelhaltige Aminosäuren zu synthetisieren. Schwefelhaltige Aminosäuren spielen eine Rolle bei der Synthese von Antioxidantien wie Glutathion, das Pflanzen hilft, Stress durch Umweltfaktoren wie Dürre, Hitze oder Schadstoffe zu bewältigen. Thiobacillus thiooxidans spielt eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung der Schwefelverfügbarkeit im Boden, insbesondere in sauren Böden, wo es zur natürlichen Sulfat-Versorgung der Pflanzen beiträgt.

Actinomyceten

Actinomyceten, auch Strahlenpilze genannt, sind eine Art von Bakterien im Boden, die in ihrer Wachstumsstruktur den Hyphen von Pilzen ähneln. Sie sind für den charakteristischen Geruch von frisch umgegrabener Erde zuständig, da sie schwer zersetzbare Verbindungen wie Zellulose und Chitin zerlegen. Durch diesen Prozess setzen sie Nährstoffe frei, die für Pflanzen und andere Bodenorganismen verfügbar werden. Dies trägt zur Humusbildung bei und verbessert die Bodenfruchtbarkeit. 

Zusätzlich produzieren Streptomyceten, eine Unterart der Actinomyceten, Antibiotika, welche in der Human- ,Tier- sowie Pflanzenmedizin Verwendung finden, da sie Pathogene abwehren. 60 % der neuartigen Pflanzenschutzmittel haben ihren Ursprung in diesen Mikroorganismen. 

Fazit

Bakterien sind weit mehr als nur winzige Lebewesen im Boden – sie sind unersetzliche Helfer im Nährstoffkreislauf, die die Fruchtbarkeit unserer Böden sichern und das Pflanzenwachstum fördern. Ob es die Stickstofffixierung durch Rhizobien oder die Zersetzung organischer Materialien ist: Die Aufgaben, die Bakterien erfüllen und im Artikel vorgestellt wurden, zeigen, wie entscheidend diese Mikroorganismen für eine zukunftsfähige Landwirtschaft sind. 

FAQs

Warum sind Bakterien wichtig für einen gesunden, fruchtbaren Boden?

Bakterien spielen eine zentrale Rolle im Nährstoffkreislauf des Bodens. Sie zersetzen organisches Material, wie abgestorbene Pflanzen und Tiere, und setzen dabei wichtige Nährstoffe wie Stickstoff, Phosphor und Schwefel frei, die für das Pflanzenwachstum unerlässlich sind. Diese Mikroorganismen verbessern die Bodenstruktur, erhöhen die Wasserhaltefähigkeit und fördern die Humusbildung, was wiederum die Fruchtbarkeit des Bodens steigert. Zudem schützen einige Bakterien Pflanzen vor Krankheitserregern, indem sie diese bekämpfen oder verdrängen.

Wie kann ich Bakterien im Boden fördern?

Um das Wachstum und die Aktivität von Bakterien im Boden zu fördern, können mehrere Maßnahmen ergriffen werden:

1. Organische Düngung: Die Verwendung von Kompost oder Mist versorgt Bakterien mit Nährstoffen und verbessert die Bodenstruktur.

2. Vermeidung von externen Betriebsmitteln: Ein reduzierter Einsatz von synthetischen Pflanzenschutzmitteln und Düngern wirkt sich positiv auf die vorhandenen Populationen der Mikroorganismen im und auf dem Boden aus. 

3. Bodenfeuchtigkeit erhalten: Bakterien benötigen Feuchtigkeit, um aktiv zu bleiben. Regenerative Maßnahmen wie die ganzjährige Bodenbedeckung in Form von Zwischenfrüchten und Untersaaten können hier hilfreich sein. 

4. Gründüngung: Zwischenfrüchte wie Leguminosen oder Senf bleiben auf dem Feld, um den Boden mit Nährstoffen anzureichern und die Biodiversität im Boden zu fördern. Diese Pflanzendecken schützen zudem vor Erosion und verbessern langfristig die Bodenstruktur.

Welche Bedeutung haben weitere Bodenlebewesen wie Regenwürmer für den Boden?

Regenwürmer sind ebenso entscheidend für einen gesunden Boden wie Bakterien. Sie lockern den Boden durch ihre Gänge auf, was die Belüftung und die Wasseraufnahme verbessert. Regenwürmer zersetzen organisches Material und produzieren dabei Humus, der reich an Nährstoffen ist und die Bodenfruchtbarkeit erhöht. Zudem fördern sie die Aktivität von Mikroorganismen, indem sie den Boden mit Sauerstoff und Nährstoffen anreichern. Gemeinsam mit Bakterien tragen Regenwürmer zu einem ausgewogenen und produktiven Bodenökosystem bei.