Herkömmliche Methoden zur Anwendung von Agrochemikalien in der Landwirtschaft, wie das Besprühen von Kulturen, stehen vor dem ernsten Problem der Ineffizienz. Schätzungen zufolge erreicht ein erheblicher Anteil, zwischen 30 und 50 Prozent, der eingesetzten Pestizide, Herbizide oder Nährstoffe die Zielpflanzen überhaupt nicht. Stattdessen werden sie in die Luft zerstäubt, lagern sich auf dem Boden ab oder werden durch Regen ausgewaschen, was zu Umweltverschmutzung, potenziellen Schäden für Nicht-Zielorganismen, einschließlich nützlicher Insekten und Bodenmikroorganismen, führt und einen erheblichen finanziellen Verlust für Landwirte darstellt. Diese Verschwendung mindert nicht nur die Wirksamkeit des Pflanzenschutzes und der Düngung, sondern birgt auch ökologische Risiken durch die Kontamination von Wasserläufen und Grundwasser.

Auf der Suche nach präziseren und nachhaltigeren Lösungen hat ein Forscherteam des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und seine Mitarbeiter aus Singapur eine innovative Technologie entwickelt, die verspricht, die Art und Weise, wie Pflanzen mit notwendigen Substanzen versorgt werden, zu revolutionieren. Ihr Ansatz verwendet winzige Nadeln, bekannt als Mikronadeln, die aus Seidenprotein hergestellt werden. Diese Mikronadeln ermöglichen die direkte und gezielte Injektion von Agrochemikalien, Vitaminen und anderen Verbindungen direkt in das Pflanzengewebe, wodurch die Probleme im Zusammenhang mit der äußeren Anwendung umgangen werden.

Revolutionäre Präzision durch Seidenmikronadeln

Die Ergebnisse dieser Forschung, die Ende April 2024 in der renommierten Fachzeitschrift Nature Nanotechnology veröffentlicht wurden, stellen einen bedeutenden Fortschritt in der Agrartechnologie dar. Die entwickelte Methode ermöglicht die Herstellung von hohlen Seidenmikronadeln in großen Mengen, was für die potenzielle Anwendung in der kommerziellen Landwirtschaft entscheidend ist. Diese hohlen Strukturen können im Vergleich zu früheren, massiven Mikronadeln deutlich größere Mengen an Wirkstoffen transportieren, wodurch die Möglichkeit einer effizienteren Anwendung eröffnet wird.

Benedetto Marelli, außerordentlicher Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen am MIT und Leiter der Forschung, betont die Notwendigkeit einer Effizienzsteigerung in der Landwirtschaft. "Agrochemikalien sind wichtig, um unser Ernährungssystem zu unterstützen, aber sie sind auch teuer und bringen negative ökologische Folgen mit sich. Daher besteht ein großer Bedarf an ihrer präzisen Verabreichung", erklärt Marelli. Die Mikronadeltechnologie, ursprünglich für medizinische Zwecke wie die Verabreichung von Impfstoffen an Menschen entwickelt, wurde nun für den Einsatz bei Pflanzen angepasst und bietet eine Lösung für die langjährigen Probleme der Ineffizienz und der Umweltauswirkungen traditioneller Methoden.

Die Forschung wurde von Yunteng Cao, derzeit Postdoktorand an der Yale University, und Doyoon Kim, einem ehemaligen Postdoktoranden in Marellis Labor, geleitet. Das Projekt umfasste auch die Zusammenarbeit mit der interdisziplinären Forschungsgruppe Disruptive and Sustainable Technologies for Agricultural Precision (DiSTAP) an der Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART), dem Forschungszentrum des MIT in Singapur. Die DiSTAP-Gruppe konzentriert sich speziell auf die Entwicklung fortschrittlicher Technologien zur Lösung zentraler Probleme in der globalen Nahrungsmittelproduktion.

Einfache Herstellung, großes Potenzial

Einer der Schlüsselaspekte dieser Innovation ist der überraschend einfache Herstellungsprozess der hohlen Mikronadeln. Im Gegensatz zu vielen nanotechnologischen Verfahren, die teure Reinräume und spezielle Ausrüstung erfordern, entwickelten Cao und Kim eine Methode, die unter wesentlich weniger kontrollierten Bedingungen durchgeführt werden kann.

Der Prozess beginnt mit der Kombination von Seidenfibroinprotein (dem wichtigsten Strukturprotein in Seide) mit einer Salzlösung in winzigen kegelförmigen Formen. Während das Wasser aus der Lösung verdunstet, verfestigt sich die Seide in der Form und nimmt deren Gestalt an. Gleichzeitig bildet das Salz kristalline Strukturen innerhalb der zukünftigen Nadel. Nachdem die Seide vollständig ausgehärtet ist, wird das Salz ausgewaschen, wobei ein hohler Innenraum oder, abhängig von der Salzkonzentration und der Phasentrennung, ein Netzwerk winziger Poren innerhalb der Nadel zurückbleibt. Diese Hohlräume oder Porosität sind entscheidend für die Fähigkeit der Mikronadel, flüssige Substanzen zu transportieren und abzugeben.

"Es ist ein ziemlich einfacher Herstellungsprozess. Er kann außerhalb eines Reinraums durchgeführt werden – man könnte ihn in seiner Küche machen, wenn man wollte", betont Kim. "Es erfordert keine teuren Maschinen." Diese einfache Herstellung eröffnet die Tür zu einer breiteren Verfügbarkeit und potenziell niedrigeren Implementierungskosten der Technologie in der Zukunft.

Pflanzen heilen und Ernten anreichern

Um die Wirksamkeit ihrer Technologie zu demonstrieren, führten die Forscher eine Reihe von Experimenten an Tomatenpflanzen durch. Ein Schwerpunkt war die Behandlung von Chlorose, einer durch Eisenmangel bei Pflanzen verursachten Krankheit. Chlorose äußert sich durch Vergilbung der Blätter aufgrund der Unfähigkeit der Pflanze, ausreichend Chlorophyll zu produzieren, was die Erträge erheblich reduzieren kann. Das Problem tritt häufig in Böden mit hohem pH-Wert (alkalische Böden, wie z. B. kalkreiche Böden) oder in schweren, schlecht entwässerten Lehmböden auf, wo Eisen, obwohl vorhanden, nicht in einer für Pflanzen verfügbaren Form vorliegt. Die traditionelle Behandlung durch Besprühen mit Eisensulfat oder Chelaten ist oft unwirksam und kurzlebig, da die Substanz schlecht durch die Blätter aufgenommen wird oder schnell ausgewaschen wird.

Mithilfe ihrer hohlen Seidenmikronadeln brachte das Team erfolgreich Eisen direkt in die Stängel von Tomaten ein, die an Chlorose litten. Die Ergebnisse zeigten, dass diese Methode eine nachhaltige und länger anhaltende Zufuhr von Eisen direkt in das Gefäßsystem der Pflanze ermöglicht, ohne nennenswerten Schaden zu verursachen. Co-Autor der Studie, Daisuke Urano, ein Pflanzenwissenschaftler von DiSTAP, bestätigte, dass detaillierte Bewertungen minimale negative Auswirkungen der Mikronadelinjektionen zeigten, ohne beobachtete kurz- oder langfristige Folgen für die Pflanzengesundheit.

Ein weiteres bedeutendes Experiment konzentrierte sich auf die Biofortifikation – den Prozess der Erhöhung des Nährwerts von Nutzpflanzen während ihres Wachstums. Während sich bisherige Bemühungen hauptsächlich auf Mineralien wie Zink oder Eisen konzentrierten, stellte die Zugabe von Vitaminen, insbesondere solchen, die natürlicherweise nicht in Pflanzen vorkommen, eine größere Herausforderung dar. Vitamin B12, essentiell für die menschliche Gesundheit und hauptsächlich in tierischen Produkten vorhanden, fehlt oft in veganer und vegetarischer Ernährung.

Die Forscher injizierten mithilfe von Mikronadeln Vitamin B12 in die Stängel wachsender Tomatenpflanzen. Analysen bestätigten später, dass das Vitamin erfolgreich durch die Pflanze transportiert wurde und sich vor der Ernte in den Tomatenfrüchten anreicherte. Diese Entdeckung eröffnet völlig neue Möglichkeiten zur Anreicherung verschiedener Obst- und Gemüsearten mit Vitaminen während des Anbaus, wodurch sie nährstoffreicher werden. "Dieser neue Verabreichungsmechanismus eröffnet viele potenzielle Anwendungen, daher wollten wir etwas tun, was noch niemand zuvor getan hat", erklärt Marelli.

Pflanzengesundheit in Echtzeit überwachen

Neben der Substanzabgabe erwiesen sich Seidenmikronadeln auch als nützlich für die Überwachung des Gesundheitszustands von Pflanzen. Aktuelle fortschrittliche Überwachungstechniken, wie die Analyse der Blattfarbe (Kolorimetrie) oder die Hyperspektralanalyse, können Probleme oft erst erkennen, wenn das Pflanzenwachstum bereits beeinträchtigt ist. Andere Methoden, wie die Entnahme von Pflanzensaft (Sap), können invasiv und zeitaufwendig sein.

Das Forschungsteam untersuchte die Möglichkeit, Mikronadeln zur Detektion von Schwermetallen in Pflanzen einzusetzen. Sie züchteten Tomaten in hydroponischen Lösungen, die mit Cadmium kontaminiert waren, einem toxischen Metall, das häufig in Böden in der Nähe von Industrie- und Bergbaugebieten vorkommt. Nach der Injektion von Mikronadeln in die Tomatenstängel zeigte sich, dass die Nadeln innerhalb von nur 15 Minuten Cadmium aus dem Pflanzensaft absorbierten. Dies deutet darauf hin, dass Mikronadeln als schnelles diagnostisches Werkzeug zur Erkennung von Kontaminanten eingesetzt werden könnten.

Darüber hinaus ermöglichen Mikronadeln die Entnahme kleiner Pflanzensaftproben für eine kontinuierliche chemische Analyse. Das Team demonstrierte die Möglichkeit, den Cadmiumgehalt in Tomaten über 18 Stunden zu überwachen, was auf das Potenzial zur Entwicklung von Systemen zur Echtzeitüberwachung der Pflanzengesundheit und der Umweltbedingungen hinweist. Solche Systeme könnten frühe Warnsignale für Stress durch Trockenheit, Nährstoffmangel oder das Vorhandensein von Toxinen liefern und rechtzeitige Interventionen ermöglichen.

Neue Horizonte für eine nachhaltige Landwirtschaft

Obwohl die Mikronadeln im Rahmen der Studie manuell angewendet wurden, sehen Marelli und sein Team eine Zukunft voraus, in der dieser Prozess automatisiert werden könnte. Die Integration in bestehende landwirtschaftliche Maschinen, wie autonome Fahrzeuge, Traktoren oder sogar Drohnen (obwohl die Anwendung per Drohne noch technische Herausforderungen birgt), könnte die Anwendung auf großen landwirtschaftlichen Flächen ermöglichen.

Die Forscher glauben, dass die Technologie der Seidenmikronadeln bestehende landwirtschaftliche Praktiken ergänzen könnte, indem sie eine präzisere und umweltfreundlichere Alternative oder Ergänzung zum Sprühen bietet. Durch die Reduzierung der eingesetzten Agrochemikalien und deren gezielte Einbringung wird das Risiko der Umweltverschmutzung verringert, Geld gespart und potenziell die Effizienz von Behandlungen und Düngung erhöht.

Es ist wichtig zu beachten, dass das Potenzial dieser Technologie auch über die Landwirtschaft hinausgeht. "Diese neue Herstellungstechnik für Polymermikronadeln könnte auch der Forschung in der transdermalen und intradermalen Medikamentenverabreichung sowie der Gesundheitsüberwachung beim Menschen zugutekommen", sagt Cao. Die Eigenschaften von Seide als biokompatibles und biologisch abbaubares Material machen sie für verschiedene biomedizinische Anwendungen attraktiv.

Der Hauptfokus liegt jedoch derzeit weiterhin auf der Transformation der Landwirtschaft hin zu nachhaltigeren Praktiken. "Wir wollen das Pflanzenwachstum maximieren, ohne die Gesundheit des Betriebs oder die Biodiversität der umliegenden Ökosysteme negativ zu beeinflussen", schließt Marelli. "Es sollte keinen Kompromiss zwischen der Agrarindustrie und der Umwelt geben. Sie sollten zusammenarbeiten." Die Entwicklung präziser Technologien wie Seidenmikronadeln stellt einen entscheidenden Schritt zur Verwirklichung dieser Vision dar, in der Produktivität und Umweltverantwortung sich gegenseitig unterstützen.

Quelle: Massachusetts Institute of Technology