Keimendes Saatgut muss mit ausreichend Wasser versorgt und vor Unkrautvernichtern geschützt werden, denn nur eine ungestörte Pflanzenentwicklung garantiert stabile, hohe Ernteerträge. Im Projekt SeedPlus haben Forschende von drei Fraunhofer-Instituten eine bioabbaubare Saatgutbeschichtung mit einer integrierten Wasserspeicherfunktion und einer Schutzfunktion gegen Herbizide entwickelt, die hohe Keimraten ermöglicht.
Herbizide, die Unkräuter bekämpfen, können Keimlingen zusetzen und das Wachstum empfindlicher Nutzpflanzen stören. Besonders gefährdet ist das keimende Saatgut zudem durch ausbleibenden Niederschlag. In den vergangenen Jahren haben extrem trockene März- und Aprilmonate in Deutschland dazu geführt, dass Keimlinge vertrocknet sind, bevor sie sich etablieren konnten.
Dem wollen Fraunhofer-Forschende entgegenwirken: Im Projekt SeedPlus (siehe unten) haben die Fraunhofer-Institute für Mikrotechnik und Mikrosysteme IMM, für Chemische Technologie ICT und für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME eine Saatgutbeschichtung entwickelt, die trotz widriger Umweltbedingungen stabile Ernteerträge sicherstellen soll – ressourcenschonend, umweltfreundlich und nachhaltig.
Alleinstellungsmerkmal: Beschichtung mit kombinierter Schutz- und Stützfunktion
Die SeedPlus-Beschichtung vereint zwei zentrale Funktionen, die in die das Saatgut umschließende Mantelstruktur eingebaut werden: eine Stützfunktion für ein optimiertes Wassermanagement (Wasserspeicherfunktion) und eine Schicht für den Schutz vor Herbiziden. Natürliche Formulierungen basierend auf Biopolymeren sorgen dafür, dass die Samen in der Keimphase auch bei Wasserknappheit konstant mit Feuchtigkeit versorgt werden.
»Die Beschichtung gibt das Wasser gezielt und gleichmäßig an den Keimling ab. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass sie außerordentlich große Mengen an Wasser speichern kann – ein Vorteil in Trockenperioden«, erläutert Dr. Anna Musyanovych, Wissenschaftlerin am Fraunhofer IMM.
Gleichzeitig bewahrt die selektive Barriere bzw. Membran mit integrierten Adsorbermaterialien wie Aktivkohle den Keimling vor schädlichen Herbiziden, ohne die Keimung oder das Wachstum zu beeinträchtigen. Die multifunktionale Beschichtung ermöglicht den reduzierten Einsatz von Pflanzenschutzmitteln und bietet bessere Voraussetzungen für den Anbau in niederschlagsarmen Regionen.
»Die Beschichtung besteht aus mehreren Schichten unterschiedlicher Dicke, die das Saatgut ummanteln. Sie variiert je nach Form und Größe des verwendeten Saatguts, kann an dessen Anforderungen angepasst und in einem skalierbaren Prozess hergestellt werden«, sagt Dr. Alexander Dresel, Wissenschaftler am Fraunhofer ICT. »Je nach Saatgut verwenden wir unterschiedliche Verkapselungsverfahren.«
Das Wirbelschichtverfahren ermöglicht eine präzise Steuerung der Schichtdicke und eignet sich besonders für empfindliche Saatguttypen. Dabei wird das Saatgut durch ein strömendes Gas in der Wirbelschicht gehalten und mit den Beschichtungsmaterialien besprüht. Mit dem Trommel-Coater-Verfahren wird das Saatgut in einer rotierenden Trommel bewegt, die Beschichtungsmaterialien werden schrittweise zugegeben.
»Dieser Prozess führt zu einer gleichmäßigen Beschichtung des Saatguts und eignet sich be-sonders gut für die Massenproduktion«, so Thomas Heintz vom Fraunhofer ICT.
Für kleinere Saatgüter verwenden die Forschenden am Fraunhofer ICT das nasschemische Abtropfverfahren, wobei die Saat in die Mantelstruktur eingerührt wird, um sie anschließend abtropfen zu lassen.
Bioabbaubare Saatgutbeschichtung schützt und versorgt Keimlinge effektiv
Herkömmliche Saatgutbeschichtungen enthalten oftmals synthetisch-chemische Komponenten, die als Mikroplastik angesehen werden. Die Fraunhofer-Forschenden ersetzen diese umweltgefährdenden synthetischen Polymere durch ökologisch unbedenkliche, biologisch abbaubare Formulierungen. Dr. Philip Känel, Wissenschaftler am Fraunhofer IME in Münster: »Wir nutzen ausschließlich natürliche organische und anorganische Materialien. Die effizientesten Zusammensetzungen ermitteln wir in systematischen Tests verschiedener Materialkombinationen, zu denen Polysaccharide, Proteine, Gummis sowie poröse anorganische Materialien zählen, wie beispielsweise Aktivkohle.« Indem die SeedPlus-Beschichtung direkt am Saatkorn zum Einsatz kommt, erhält dieses Wasser und Schutz gezielt dort, wo sie benötigt werden, um Aufwandmengen zu reduzieren.
Tests im Freiland und im Gewächshaus
Dass die kombinierte Adsorption von Schadstoffen und Speicherung von Wasser gelingen, belegten die Forschenden anhand von Tests im Gewächshaus und unter Freilandbedingungen mit Samen des Russischen Löwenzahns und der Zuckerrübe. Untersucht wurde unter anderem der Einfluss verschiedener Formulierungen und Rezepturen auf die Keimfähigkeit der Samen. Im Vergleich zu unbehandeltem Saatgut wurde eine gesteigerte Keimungsrate der beschichteten Samen um bis zu 58 Prozent erzielt. Auch andere Aspekte wie die Lagerfähigkeit des beschichteten Saatguts und die Kompatibilität mit gängigen Aussaattechniken wurden berücksichtigt.
Um bereits während der Materialentwicklung belastbare Aussagen zur Ökotoxizität und zum Abbauverhalten der Beschichtungsmaterialien treffen zu können und umweltrelevante Risiken frühzeitig zu identifizieren, etablierten die Forschenden am Fraunhofer IME für die neuartigen Saatgutbeschichtungen zudem eine Screening-Plattform zur Bewertung. Vor der Herstellung des verkapselten Saatguts überprüfen sie die einzelnen Komponenten der Saatgutbeschichtung zur Bestätigung der Unbedenklichkeit nochmals auf ihre Wirkung auf Stellvertreterorganismen der aquatischen und terrestrischen Umwelt. Hierbei wurde auch die Abbaubarkeit der einzelnen Bestandteile geprüft, um potenzielle Langzeitexpositionen auszuschließen.
»Durch die nachhaltige Konzeption unserer Saatguttechnologie können wir zur Reduktion von Umweltbelastungen beitragen und eine umweltverträgliche, zukunftssichere Landwirtschaft bei zugleich hohen Ernteerträgen unterstützen«, sagt Känel.