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Verschiedene Mikroorganismen gelten als Hoffnungsträger und Alternative zu chemischen und Mineraldüngern, die stark schwankenden Energiepreisen unterworfen sind. Als Mykorrhiza wird die Symbiose zwischen Pilzen und Pflanzen bezeichnet, bei der die Mykorrhizapilze über ein Feinwurzelgeflecht mit der Pflanze kommunizieren. Sie bilden eine Symbiose mit Pflanzen, verbessern die Nährstoffaufnahme und können Beistand gegen den Befall durch Krankheitserreger leisten.
Die biologisch am häufigsten vorkommenden Mikroorganismen sind Mykorrhizapilze, die Bakterien Bacillus subtilis und Pseudomonas fluorescens, sowie die Pilze Trichoderma und Coniothyrium minitans als auch Hefen und Milchsäurebakterien. Diese unterscheiden sich allerdings nicht nur nach der Art, sondern auch nach ihren Stämmen. Während es etwa Millionen von Pseudomonas-Stämmen gibt, fördert nur ein geringer Teil davon effektiv das Pflanzenwachstum.
Grundsätzlich werden verschiedene Haupttypen unterschieden. Diese sind Ektomykorrhiza, ericoide und Orchideenmykorrhiza sowie arbuskuläre Mykorrhiza (AM). Letztere Art ist die häufigste. Der Pilz bevölkert die Wurzelrinde und die Pflanzenzelle. Dort bildet er fein verzweigte Strukturen, die sogenannten Arbuskeln aus. Ihre gigantische Oberfläche ermöglicht den Stofftransport und weitere symbiotische Gegenleistungen.
Die Lebensgemeinschaft zwischen Landpflanzen und Pilzen wird Symbiose genannt und existiert seit mehr als 400 Millionen Jahren. Die Wurzelsymbionten sorgen für eine verbesserte Aufnahme von anorganischen Nährstoffen und Wasser aus dem Boden, die sie der Pflanze zur Verfügung zu stellen, um im Gegenzug wichtige Kohlenhydrate zu erhalten. Dieses System spielt eine wichtige Rolle für die Funktion der Phosphor-, Stickstoff- und Kohlenstoff- Stoffkreisläufe und trägt damit elementar zu Diversität und Produktivität bei. Außerdem hat es positive Auswirkungen auf die Gesundheit der Pflanzen, die mithilfe der AM-Pilze eine erhöhte Resistenz gegen Pathogene aufbauen können.
Obwohl ihre Bedeutung für die landwirtschaftliche Pflanzenproduktion unbestritten ist, werden Mykorrhizapilze bislang hauptsächlich im Gartenbau verwendet. Dabei ist eine ausreichende Nährstoffversorgung elementar für das Pflanzenwachstum. Unter den Feldfrüchten eignen sich besonders alle Getreidearten und die meisten Leguminosenarten zur Bildung von Mykorrhiza. Wichtige Vertreter sind Weizen, Roggen, Hafer und Gerste so wie Mais, Luzerne, Klee und Kartoffeln. Andere Ackerpflanzen leiden unter mangelnder Mykorrhizierungsneigung, das heißt eine Symbiose mit Mykorrhiza ist nicht möglich. Die relevantesten wichtigsten landwirtschaftlichen Arten sind Kreuzblütler, Gänsefußgewächse, Sauergräser, Binsengewächse und Nelkengewächse. Dazu zählen Raps, Rübsaat, Kohl, Zuckerrübe, Amarant, Buchweizen und Lupine als die wichtigsten landwirtschaftlichen Vertreter. Diese kompensieren die Nährstoffaufnahme meist durch ein vergrößertes und intensiver verzweigtes Wurzelgeflecht.
Der größte Vorteil der Symbiose ist die verbesserte Nährstoffaufnahme durch den Pilz. Unter den Makronährstoffen steht die Versorgung mit Phosphor (circa 30 bis 90 Prozent) an erster Stelle. Rund 20 bis 40 Prozent der Stickstoff, zehn bis 20 Prozent von Schwefel und etwa zehn Prozent der benötigten Kohlenstoffe werden durch das Pilzwurzelsystem aufgenommen. Diese verbesserte Aufnahme ist vor allem auf die große Erschließung des Bodens zurückzuführen.
Neben der verbesserten Versorgung mit Wasser und Nährstoffen profitieren die Wirtspflanzen von einer erhöhten Stresstoleranz und Resistenz durch den Befall von Pathogen. Dieser Vorteil wirkt sich standortabhängig vor allem bei nährstoffarmen und trockenen Böden aus, in denen Pflanzen ohne Mykorrhizabildung Schwierigkeiten mit ausreichender Versorgung haben.
Die Anwendung von Mykorrhiza sollte unbedingt mit anderen Maßnahmen abgestimmt werden. Dazu zählt die reduzierte Bodenbearbeitung. Starkes Pflügen zerstört unterirdische Hyphennetzwerke und reduziert Dichte und Diversität der Pilze. Die Kolonisation der nachfolgenden Pflanzen wird erschwert. Manche Arten haben sich an intensive Bodenbearbeitung angepasst und tragen dann auch weiterhin zum Beispiel zum Erosionsschutz bei.
Es konnte auch festgestellt werden, dass starke Düngung die Neigung der Pflanzen, eine Symbiose einzugehen, senkt. Grund dafür könnte neben der Auswirkung auf die Diversität auch die fehlende Notwendigkeit sein.
Für die Impfung des Bodens ist ebenfalls das Inokulationspotenzial entscheidend, das durch den Anbau von Zwischenfrüchten etwa deutlich gefördert werden kann, während Fruchtarten mit geringer Mykorrhizierungsneigung zu einer zeitweisen Verringerung der Besiedlungsdichte führen kann.
Im Vergleich zu anderen Mikroorganismen konnte die positive Wirkung von Mykorrhiza zweifelsfrei nachgewiesen werden. Wissenschaftliche Studien zeigen beispielsweise das höchste Kolonisationspotenzial bei minimaler Bodenbearbeitung. In Folge der Zerteilung des Hyphennetzwerks konnte eine reduzierte Intensität und Geschwindigkeit der Besiedlung der Pflanzen festgestellt werden. Daraus folgt eine reduzierte Phosphoraufnahme der Kulturpflanzen. All dies führt zu einer Strukturverbesserung des Bodens. Allerdings ist auch auf das Keimen von Beikraut zu achten, das durch reduzierte Bodenbearbeitung erleichtert wird. Dennoch sollte statt tiefgehender eine lockernde Bodenbearbeitung bevorzugt werden. Weitere Studien belegen eine Ertragssteigerung unabhängig von verschiedenen Grundwasserständen. Andere beobachtete positive Effekte sind die Steigerung der Photosyntheseleistung, optimierte Wasser- und Nährstoffeffizienz und erhöhte Biomassebildung.