Pflanzen nehmen über ihre Wurzeln nicht nur Nährstoffe auf, sondern auch giftige Metalle. Unklar war bislang, ob sie aus dem Boden oder den ausgebrachten Düngemitteln stammen. „Aus Feld- und Gewächshausstudien ist bekannt, dass die Art der Düngung, also mineralisch oder organisch, einen Einfluss auf die Metallgehalte in Nahrungsmittelpflanzen hat“, sagt Co-Autorin Marie Muehe vom Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) in Leipzig. „Doch man wusste bislang nicht, ob die durch die Pflanzen aufgenommenen Metalle aus dem Boden oder direkt aus den aufgebrachten Düngemitteln stammen.“ Das wollte das Forschungsteam um Erstautor Robert Hill von der Duke University und Muehe mit der aktuellen Studie herausfinden.
Strontium-Isotope als „Fingerabdruck”
Dafür nutzte das Team Bodenproben und Weizenkörner aus dem Statischen Düngungsversuch der UFZ-Forschungsstation Bad Lauchstädt – einem der ältesten Dauerversuche weltweit. Dort wurden Versuchsfelder über mehr als 120 Jahre unterschiedlich gedüngt: teils gar nicht, teils ausschließlich mineralisch oder organisch, teils in Kombination. Die Bodeneigenschaften haben sich dadurch deutlich auseinanderentwickelt, zum Beispiel der pH-Wert oder der Gehalt an organischer Substanz. Das umfangreich archivierte Probenmaterial aus diesem Langzeitversuch bot den Forschenden ideale Voraussetzungen für ihre Analysen.
Hill und seine Kollegen nahmen Proben der vergangenen 20 Jahre unter die Lupe und bestimmten zunächst die Metallgehalte in Boden, Weizenkörnern und eingesetzten Düngern. Um herauszufinden, ob die in den Weizenkörnern enthaltenen Metalle aus dem Boden oder dem Dünger stammen, analysierten die Forschenden das Verhältnis der Strontium-Isotope 87Sr und 86Sr in den Proben. „Da das Verhältnis dieser beiden Isotope in jedem Boden anders ist, ist das im Prinzip so etwas wie ein Fingerabdruck“, erklärt Hill.
„Wenn im Weizenkorn dasselbe Verhältnis vorliegt wie im Boden, auf dem die Pflanze gewachsen ist, kann man daraus schließen, dass sie das Strontium aus dem Boden aufgenommen hat. Wenn das Isotopenverhältnis im Korn jedoch dem des Düngers entspricht, ist das ein klarer Hinweis darauf, dass das Strontium über den Dünger ins Korn gelangt ist“, so Hill weiter. Und da bekannt ist, dass Pflanzen Strontium und Cadmium über ähnliche Wege aufnehmen, lassen sich daraus auch Rückschlüsse für Cadmium ziehen.
Mineralische Dünger erhöhen die Metallbelastung
Die Analysen ergaben: Die giftigen Metalle in den Weizenkörnern stammen aus den Düngemitteln und nicht aus dem Boden. Außerdem waren die Metallgehalte bei mineralischer Düngung deutlich höher als bei organischer. „Zur Einordnung dieser Ergebnisse ist es wichtig zu wissen, dass unsere Untersuchungen in einer Region mit sehr fruchtbaren Schwarzerde-Böden gemacht wurden. Bei sandigen oder sauren Böden könnten diese Effekte noch deutlicher zutage treten“, sagt Co-Autorin Alexandra Pieńkowska vom UFZ. Entsprechend wichtig sei es, einer Bodenversauerung entgegenzuwirken, beispielsweise durch die Kalkung des Bodens.
Doch nicht alle Metalle in mineralischen Düngern sind unerwünscht. Zink ist beispielsweise ein wichtiges, metallisches Spurenelement. Die Forschenden prüften daher, ob sich seine Aufnahme durch die Weizenpflanzen fördern lässt, ohne gleichzeitig mehr giftige Metalle einzuschleusen. „Durch Kombination der Düngemittel konnte der Zinkgehalt im Weizenkorn tatsächlich erhöht werden, ohne dass der Cadmium-Gehalt anstieg“, sagt Muehe. „Wir empfehlen daher eine kombinierte Düngung beziehungsweise das Ausbringen von mineralischen und organischen Düngemitteln im Wechsel. Das spart zum einen Kosten für Dünger ein, zum anderen hat das Korn eine höhere Qualität.“
In weiterführenden Studien wollen die Forschenden nun untersuchen, wie sich die Metallgehalte in Nutzpflanzen verhalten, wenn sich Umweltbedingungen, etwa durch den Klimawandel, verändern.
Quelle: Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung – UFZ; Fachartikel: Environment International, doi: 10.1016/j.envint.2025.109851
