Dünger oder Boden? Giftige Metalle im Weizenkorn: Wo sie her kommen

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Über ihre Wurzeln nehmen Pflanzen nicht nur Nährstoffe auf, sondern mitunter auch giftige Metalle. Ob diese Metalle aus dem Boden oder aus dem Dünger stammen, war lange umstritten. Ein internationales Forscherteam hat nun mithilfe einer neuen Isotopen-Methode eindeutig gezeigt, dass der Dünger die Quelle ist. Diese Tatsache lässt sich künftig womöglich sogar für etwas Positives ausnutzen.

Pflanzen nehmen über ihre Wurzeln nicht nur Nährstoffe auf, sondern auch giftige Metalle wie Cadmium. Unklar war bislang, ob die giftigen Metalle aus dem Boden oder den ausgebrachten Düngemitteln stammen. Unter Federführung des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) und der Duke University (USA) hat ein Forschungsteam zur Klärung der Frage Weizenkörner untersucht.

„Aus Feld- und Gewächshausstudien ist bekannt, dass die Art der Düngung, also mineralisch oder organisch, einen Einfluss auf die Metallgehalte in Nahrungsmittelpflanzen hat“, sagt Prof. Dr. Marie Muehe, Leiterin der Arbeitsgruppe Pflanzen-Biogeochemie am UFZ und Co-Studienleiterin der Publikation. „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 deutsch-amerikanische Forschungsteam mit seiner aktuellen Studie herausfinden.

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Düngungsversuche legen Grundstein der Untersuchung

Dafür nutzten die Wissenschaftler Bodenproben sowie Weizenkörner aus dem Statischen Düngungsversuch der UFZ-Forschungsstation Bad Lauchstädt. Der Statische Düngungsversuch wurde bereits im Jahr 1902 angelegt und gehört insbesondere aufgrund seiner langen Versuchsdauer zu den wertvollsten Dauerversuchen der Welt. „Einige Versuchsfelder wurden seit über 120 Jahren nicht gedüngt, andere nur mit Mineraldünger oder mit organischem Dünger wie Stallmist von landwirtschaftlichen Betrieben aus der Nachbarschaft oder aber mit einer Mischung aus beidem“, erklärt Muehe.

Über die lange Versuchsdauer haben sich die Bodeneigenschaften stark auseinanderentwickelt, zum Beispiel der pH-Wert oder der Gehalt an organischer Substanz. Das Probenmaterial aus diesem Langzeitversuch war daher die perfekte Grundlage für die Untersuchungen. Hinzu kommt eine hervorragende Datenbasis, denn jedes Jahr werden von allen Versuchsflächen Bodenproben und geerntete Weizenkörner archiviert.

Isotopen-Technik entschlüsselt Ursprung der Metalle

Für ihre Studie nahmen die Forschenden die Proben der vergangenen 20 Jahre genauer unter die Lupe. „Dabei haben wir zuerst die jeweiligen Metallgehalte im Boden, in den geernteten Weizenkörnern sowie in den verwendeten Düngemitteln bestimmt“, erklärt Aleksandra Pienkowska, UFZ-Doktorandin und Co-Erstautorin der Studie.

Um herauszufinden, ob die in den Weizenkörnern enthaltenen Metalle aus dem Boden oder dem Dünger stammen, haben die Forschenden ein spezielles Verfahren angewandt: die so genannte Strontium-Isotopensignatur-Methode. Sie beruht darauf, dass das chemische Element Strontium (Sr) in zwei unterschiedlichen Formen – so genannten Isotopen – vorkommt, nämlich 87Sr und 86Sr. „Da das Verhältnis dieser beiden Isotope in jedem Boden anders ist, ist das im Prinzip so etwas wie ein Fingerabdruck“, erklärt Robert Hill, Doktorand an der Duke University (Durham, USA) und Co-Erstautor der Studie. Wenn im Weizenkorn dasselbe Verhältnis vorliegt wie im Boden, auf dem die Pflanze gewachsen ist, könne 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. Und da bekannt ist, dass Pflanzen Strontium und Cadmium über ähnliche Wege aufnehmen, lassen sich daraus auch Rückschlüsse für Cadmium ziehen.

Nicht alle aufgenommenen Metalle sind giftig

Die Ergebnisse zeigen zum einen, dass die giftigen Metalle in den untersuchten Weizenkörnern aus dem ausgebrachten Dünger stammen und nicht aus dem Boden. Zum anderen sind die Metallgehalte bei mineralischer Düngung im Vergleich zur organischen Düngung besonders hoch. „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 Pienkowska. Vor dem Hintergrund, dass auch eine dauerhafte mineralische Düngung die Versauerung des Bodens bewirkt, gewinnen Maßnahmen zur Stabilisierung des pH-Wertes, etwa die Kalkung des Bodens, noch einmal an Bedeutung.

Nicht alle in mineralischen Düngemitteln enthaltenen Metalle sind jedoch unerwünscht. Zink etwa ist ein für die Ernährung wichtiges metallisches Spurenelement. Doch kann die Aufnahme von Zink ins Weizenkorn gefördert und dabei gleichzeitig die Aufnahme von giftigen Metallen verhindert werden? „Auch das haben unsere Untersuchungen gezeigt: Durch Kombination der Düngemittel konnte der Zinkgehalt im Weizenkorn tatsächlich erhöht werden, ohne dass der Cadmium-Gehalt anstieg“, sagt Muehe. Die Wissenschaftler empfehlen daher eine kombinierte Düngung bzw. das Ausbringen von mineralischen und organischen Düngemitteln im Wechsel. Das spare zum einen Kosten für Dünger ein, zum anderen hätte das Korn so eine höhere Qualität.

In weiterführenden Studien wollen die Forschenden untersuchen, wie sich die Metallgehalte in Nutzpflanzen verhalten, wenn sich Umweltbedingungen, etwa durch den Klimawandel, verändern.

Originalpublikation:

Robert C. Hill, Aleksandra Pienkowska, Ines Merbach, Thomas Reitz, E.Marie Muehe, Avner Vengosh: Impacts of fertilization on metal(loid) transfer from soil to wheat in a long-term fertilization experiment – using 87Sr/86Sr isotopes as metal(loid) tracer; Environment International; October 2025.

DOI:10.1016/j.envint.2025.109851

(ID:50653137)