DE19632031C1 - Verfahren und Immobilisat zur Bekämpfung von Pflanzenschädlingen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bekämpfung von Pflan­ zenschädlingen durch Einbringen von die Pflanzenschädlinge zer­ störenden Mikroorganismen in einer vernetzten Trägerstruktur in Kontakt mit einer Pflanze oder Pflanzensamen. Die Erfindung be­ trifft ferner ein Immobilisat zur biologischen Schädlingsbe­ kämpfung.

Da die Verwendung der bisher üblichen chemischen Pflanzenschutz­ mittel aus Gründen des Umwelt- und Gewässerschutzes reduziert werden muß bzw. untersagt wird, ist versucht worden, biologische Schädlingsbekämpfungsmittel einzusetzen. So ist es beispiels­ weise bekannt, die Zuckerrübennematoden Heterodera schachtii mit nematophagen Pilzen wie Hirsutella rhossiliensis, zu bekämpfen.

Um eine kontrollierte Dosierung der biologisch wirksamen Mikroorganismen zu ermöglichen und deren Stabilität im Boden zu verbessern, ist bereits vorgeschlagen worden, die Mikroorganis­ men in vernetzten Strukturen zu immobilisieren (Jahresbericht 1995 der Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft (FAL), Seite 90 unter 1.1).

Immobilisierungsverfahren für Mikroorganismen, einschließlich Zellen, und für Enzyme sind seit längerer Zeit bekannt. Für die Immobilisierung sind dabei verschiedenste Polyelektrolytsysteme vorgeschlagen worden. Mit niedermolekularen Vernetzungspartnern, wie beispielsweise Ca-Ionen, lassen sich beispielsweise voll­ ständig vernetzte Kugeln aus Alginat herstellen, die die Mikro­ organismen in der vernetzten Struktur immobilisieren. Es ist ferner bekannt, auch Hohlkugeln herzustellen, die beispielsweise einen flüssigen Kern umgeben, der den Vernetzungspartner bein­ halten kann. Bekannt ist ferner die Herstellung einer Membran durch Grenzflächenpolymerisation einer Öl-in-Wasser- oder Was­ ser-in-Öl-Emulsion, bei der die wäßrige Phase mit einem ersten Polymerisationspartner und die Ölphase mit einem zweiten Polyme­ risationspartner versehen wird, so daß sich an den Grenzflächen eine Membran durch Kopolymerisation der beiden Polymerisations­ partner bildet.

US 5,358,836 offenbart Pflanzenschutzmittel, die aus immobili­ sierten Pilzen, Bakterien und Nematoden bestehen. Als Immobili­ sierungsmatritzen sind Alginat und Stärke erwähnt. Um die immo­ bilisierten Wirkmittel vor einem vorzeitigen Austrocknen zu be­ wahren, wird vorgeschlagen, ein eine Emulsion invertierendes Öl, wie beispielsweise Paraffinöl mit einem Adsorber für das Öl, wie beispielsweise Silica, dem Immobilisat hinzuzufügen, um die Ver­ dunstung von Wasser aus dem Immobilisat zu verlangsamen.

Es hat sich gezeigt, daß die Immobilisierung von potentiell bio­ logisch wirksamen Mikroorganismen an Pflanzen nicht den ge­ wünschten Wirkungsgrad erreichen ließ, so daß eine praktische Anwendung nicht in Betracht gezogen werden konnte. Die Wechsel­ wirkung zwischen den Mikroorganismen und den Schädlingen ist durch die Immobilisierung zu stark herabgesetzt.

Der Erfindung liegt die Problemstellung zugrunde, trotz der be­ stehenden Probleme einen Weg für eine praktikable Anwendung bio­ logischer Schädlingsbekämpfungsmittel zu finden.

Ausgehend von dieser Problemstellung ist ein Verfahren der ein­ gangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Mikroorganismen innerhalb einer vernetzten Außenhülle zusam­ men mit einem Nährmedium eingeschlossen werden und daß die Außenhülle so ausgebildet wird, daß die Mikroorganismen zunächst innerhalb der Außenhülle wachsen und dann nach außen gelangen.

Erfindungsgemäß werden die Mikroorganismen somit in einer hohlen Struktur, vorzugsweise einer Hohlkugel, immobilisiert, wobei innerhalb der hohlen Struktur mit den Mikroorganismen ein Nähr­ medium für die Mikroorganismen eingeschlossen wird. Das Immobi­ lisat wirkt dabei als Reaktor für die Vermehrung der Mikroor­ ganismen. Innerhalb dieses Reaktors können die Mikroorganismen eine stabile und lebensfähige Kultur ausbilden, bevor sie so viel Biomasse gebildet haben, daß sie aus der Außenhülle austre­ ten, beispielsweise durch Zerstörung der Außenhülle durch den sich durch die sich vermehrende Biomasse ausbildenden Druck, oder vorzugsweise durch Auswachsen durch die Außenhülle hin­ durch.

In einer bevorzugten Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mit dem Nährmedium eine nur geringe Anfangskonzentration an Mikroorganismen eingeschlossen und die Außenhülle so ausgebil­ det, daß das Austreten aus der Außenhülle erst nach einer Ver­ mehrung der Mikroorganismen und wenigstens den Faktor 100 er­ folgt.

Auf diese Weise ist es möglich, die biologische Schädlingsbe­ kämpfung wirksam und kostengünstig zu gestalten, da eine teure Fermentierung der Mikroorganismen im größeren Maßstab entfallen und durch die Fermentierung innerhalb des Immobilisats am Ein­ satzort ersetzt werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht somit darauf, daß die bis­ her als kritisch angesehene Einbringung einer ausreichenden Bio­ masse für die Zwecke der Schädlingsbekämpfung nicht dadurch er­ folgt, daß die Mikroorganismen in einer höheren Konzentration an den Einsatzort gebracht werden, sondern daß die erforderliche Biomasse der Mikroorganismen am Einsatzort selbst erst entsteht, und zwar in einer durch das Immobilisat geschützten Umgebung. Erst wenn eine ausreichende Menge an Biomasse entstanden ist, entfällt die Funktion des Immobilisats dadurch, daß die Mikroor­ ganismen aus dem Immobilisat vorzugsweise auswachsen oder dieses als Außenhülle zerstören und so direkt in den Kontakt mit den Schädlingen treten können.

Innerhalb des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es zweckmäßig sein, die Mikroorganismen in zahlreichen sehr kleinen Kügelchen zu einer vernetzten Trägerstruktur immobilisiert innerhalb der Außenhülle einzuschließen. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn in der Außenhülle auch wenigstens ein Samenkorn einge­ schlossen wird. In diesem Fall wird ein System gebildet, das den Befall von Saatgut mit Schädlingen verhindert. Die Kügelchen können dabei an das Samenkorn angelagert und anschließend zusam­ men mit dem Nährmedium in der Außenhülle eingeschlossen werden. Die Kügelchen werden dabei so klein ausgebildet (größenordnungs­ mäßig mit einem Durchmesser von 50 µm), daß die Wechselwirkung mit dem Nährmedium nicht behindert wird.

Das Samenkorn kann mit der Außenhülle vorzugsweise perliert werden, indem das Samenkorn mit einem ersten, vorzugsweise niedermolekularen Vernetzungspartner für die Außenhülle getränkt wird und anschließend zusammen mit den Mikroorganismen mit einem zweiten Vernetzungspartner umgeben wird.

Für von langen Trockenperioden bedrohten Böden kann es zweck­ mäßig sein, in das Immobilisat neben den Mikroorganismen und dem Nährmedium auch einen Feuchtigkeitsspender einzuschließen.

Ausgehend von der oben erwähnten Problemstellung besteht ein Immobilisat zur biologischen Schädlingsbekämpfung erfindungsge­ mäß aus einer vernetzten Außenhülle, in der Mikroorganismen zu­ sammen mit einem Nährmedium eingeschlossen sind.

Entsprechend den obigen Erläuterungen kann das Immobilisat zu­ sätzlich wenigstens ein Samenkorn enthalten.

Die Mikroorganismen können innerhalb der vernetzten Außenhülle innerhalb einer Vielzahl von Kügelchen aus einer vernetzten Trä­ gerstruktur eingeschlossen sein. In dieser Form können die Kügelchen an dem Samenkorn haften.

Die Außenhülle kann unmittelbar auf das Samenkorn mit den daran anhaftenden Mikroorganismen und einem anhaftenden Nährmedium ausgebildet sein.

Die Außenhülle ist vorzugsweise aus wenigstens einem Polyelek­ trolyt gebildet. Besonders geeignete Polyelektrolyten sind Algi­ nate wegen der milden Vernetzungsbedingungen insbesondere mit Ca-Ionen, vorzugsweise in Form von CaCl₂ oder Cellulosen, beispielsweise Carboxyalkylcellulosen, insbesondere Carboxyme­ thylcellulose, oder Sulfoalkylgruppen enthaltende Cellulose­ ether, insbesondere eine Sulfoealkylcellulose, vorzugsweise Sul­ foethylcellulose. Geeignete Celluloseether sind neben Sulfo­ ethylether (SEC) insbesondere Sulfopropylether (SPC), und Misch­ cellulosen, wie Hydropropylsulfoalkylcellulosen (z. B. HPSEC, HPSPC), Hydroxyethylalkylcellulosen (z. B. HESEC, HESPC) und Car­ boymethylsulfoalkylcellulosen (z. B. CMSEC, CMSPC). Diese Cellu­ losen können mit Chitosan oder vorzugsweise mit Polydimethyldi­ allylammoniumchlorid (PDMDAAC), vernetzen. Eine besonders stabi­ le Vernetzung wird erreicht, wenn die Konzentration von PDMDAAC zwischen 1,5 und 2,5 Gew.-% liegt.

Für die Bildung der kleinen, die Mikroorganismen einschließenden Vollkügelchen innerhalb der vernetzten Außenhülle wird vorzugs­ weise Alginat verwendet. Selbstverständlich sind auch andere bekannte Immobilisierungssysteme, wie Carrageenan, Polyvinyl­ alkohol verwendbar.

Die Verwendung von Alginat oder Sulfoethylcellulose (SEC) bringt den Vorteil der zumindest weitgehenden biologischen Abbaubarkeit mit sich.

Das eingeschlossene Nährmedium richtet sich naturgemäß nach den eingeschlossenen Mikroorganismen. Für die Pilzkulturen, wie Hirsutella rhossiliensis, eignet sich besonders Maismehl bzw. Maiskleber, vorzugsweise mit Zugabe eines geringen Anteils Hefe­ konzentrat.

Als Feuchtestabilisatoren können Kieselgur, Bentonit, Polyacry­ lat, Seramis o. ä. verwendet werden.

Beispiel 1

Zur Herstellung kleiner Hohlkugeln aus SEC wurde 120 g einer 2,6%igen SEC-Lösung, die 10 Minuten bei 121°C autoklaviert worden war, mit einem autoklavierten Maiskleber (Partikelgröße 200 µm) gemischt, so daß eine Endkonzentration von 20% erhal­ ten wurde. Die Pilzkultur Hirsutella rhossiliensis wurde bis zu einer Endkonzentration von 5% dazugegeben. Größere Maiskleber­ partikel wurden danach mit einem Sieb (Maschenweite 200 µm) ent­ fernt.

Diese Lösung wurde in eine 2%ige autoklavierte PDMDAAC-Lösung eingetropft. Die Eintropfdauer betrug 1 Stunde und 32 Minuten. Die Kugeln wurden zur Nachvernetzung 15 Minuten in der Lösung belassen. Dann konnten die Kugeln abgesiebt und mit deionisier­ tem autoklavierten Wasser gewaschen werden. Die Kugeln können unter einer Sterilbank getrocknet und im trockenen Zustand gela­ gert, im frischen Zustand jedoch auch mehrere Tage lang in auto­ klaviertem Leitungswasser bei 6°C gelagert werden. Der Durch­ messer der Kugeln betrug 1,3 bis 1,4 mm.

Die gebildeten Kugeln sind Hohlkugeln, da die PDMDAAC-Lösung nur bis zu einem gewissen Grad in die SEC-Lösung eindringen kann und das weitere Eindringen durch die vernetzte SEC-Außenhülle ver­ hindert wird.

Beispiel 2

120 g einer 2,6%igen SEC-Lösung, die 10 Minuten bei 121°C au­ toklaviert worden war, wurde mit einem autoklaviertem Mager­ milchpulver gemischt, so daß eine Endkonzentration von 20% er­ halten wurde. Bakterien pseudomonas fluorescens wurden bis zu einer Endkonzentration von 103 Zellen/g hinzugefügt. Danach wur­ den größere Partikel mit einem Sieb (Maschenweite 200 Mikrome­ ter) entfernt. Diese Lösung wurde in eine 2%ige autoklavierte PDMDAAC-Lösung eingetropft. Die Eintropfdauer betrug 1 Stunde und 40 Minuten. Die Kugeln wurden zur Nachvernetzung 15 Minuten in der Lösung belassen, dann abgesiebt und mit deionisiertem autoklaviertem Wasser gewaschen. Der Durchmesser der Kugeln be­ trug 1,3 bis 1,4 mm. Nach 10 Tagen war ein deutliches Auswachsen von Zellen aus den Kugeln zu beobachten.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dar­ gestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1A, 1B ein erstes Ausführungsbeispiel für eine An­ ordnung von Mikroorganismen mit einem Nähr­ medium und einem Samenkorn in einer vernetz­ ten Außenhülle im Herstellungszustand und nach dem Auswachsen durch Vermehrung,

Fig. 2A, 2B Darstellungen gemäß Fig. 1 für ein zweites Ausführungsbeispiel einer Anordnung gemäß Fig. 1,

Fig. 3A, 3B Darstellungen gemäß Fig. 1 für eine Anord­ nung von Mikroorganismen mit einem Nährmedi­ um innerhalb einer von Mikroorganismen freien Hülle,

Fig. 4A, 4B Darstellungen gemäß Fig. 3 für eine Anord­ nung, in der sich Mikroorganismen innerhalb der vernetzten, ein Nährmedium umgebenden Hülle befinden.

Fig. 1A zeigt ein Immobilisat mit einer vernetzten Außenhülle in Form einer dünnen Membran 1. In der Membran 1 sind Mikroorga­ nismen 2 eingeschlossen, die sich in einem Nährmedium 3 bewegen. Ebenfalls innerhalb der Membran 1 befindet sich ein Samenkorn 4, das durch die Mikroorganismen 2 gegen Schädlinge geschützt wird.

Die Mikroorganismen können in dem Nährmedium 3 als solche oder in einer vorimmobilisierten Form vorhanden sein. Die vorimmobi­ lisierte Form kann durch Einschluß der Mikroorganismen in ein kleines Kügelchen erfolgen, wobei vorzugsweise der Einschluß in einer Ca-Alginat-Vollkugel in Frage kommt.

Fig. 1B zeigt die Vermehrung der Mikroorganismen 2, die auf­ grund des Nährmediums 3 zu einem starken Wachstum angeregt wer­ den und durch die Membran 1 auswachsen, so daß erhebliche Mengen an Biomasse auch außerhalb der Membran 1 entstehen.

Fig. 2A zeigt eine Anordnung, bei der eine Außenhülle 1′ durch ein vernetztes Medium gebildet ist, in dem sich die Mikroorga­ nismen 2 befinden. Im Kernbereich der Außenhülle 1′ befindet sich das Samenkorn 4 und das Nährmedium 3, das das Samenkorn 4 als dünne Schicht umgibt.

Gespeist durch das Nährmedium wachsen die Mikroorganismen 2 in der in Fig. 2B dargestellten Weise ebenfalls aus der Außenhülle 1′ heraus.

Fig. 3A zeigt eine Anordnung mit einer stabilen Außenhülle 1′′, die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel frei von Mikroorga­ nismen ist. Im Innern der Außenhülle 1′′ befindet sich das Nähr­ medium 3 mit den Mikroorganismen 2. Auch hier wachsen die Mikro­ organismen 2 durch die Außenhülle 1′′ heraus, wie dies Fig. 3B zeigt.

Bei dem in Fig. 4A dargestellten Ausführungsbeispiel befinden sich die Mikroorganismen 2 immobilisiert innerhalb der vernetz­ ten Außenhülle 1′′, die im übrigen der Außenhülle 1′′ gemäß Fig. 3A entspricht. Im Kern der Außenhülle 1′′ befindet sich das Nährmedium 3, durch das die Mikroorganismen 2 zu einem starken Wachstum angeregt werden und aus der Außenhülle 1′′ gemäß Fig. 4B herauswachsen.

In allen dargestellten Ausführungsbeispielen wird ein starkes Wachstum der Mikroorganismen 2 innerhalb des Immobilisats initi­ iert, so daß bereits eine große Menge an Biomasse vorhanden ist, bevor die Mikroorganismen aus dem Immobilisat auswachsen, so daß die Mikroorganismen 2 gegenüber toxischen oder mechanischen Ein­ flüssen von außen weitaus besser geschützt sind als dies bei frei auf eine Pflanze oder ein Samenkorn aufgebrachte Mikroorga­ nismen der Fall wäre.

Claims (18)

1. Verfahren zur Bekämpfung von Pflanzenschädlingen durch Ein­ bringen von die Pflanzenschädlinge zerstörenden Mikroorga­ nismen in einer vernetzten Trägerstruktur in Kontakt mit einer Pflanze oder Pflanzensamen, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikroorganismen innerhalb einer vernetzten Außen­ hülle zusammen mit einem Nährmedium eingeschlossen werden und daß die Außenhülle so ausgebildet wird, daß die Mikroorganismen zunächst innerhalb der Außenhülle wachsen und dann nach außen gelangen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Nährmedium eine nur geringe Anfangskonzentration an Mikroorganismen eingeschlossen wird und daß das Austreten aus der Außenhülle erst nach einer Vermehrung der Mikroor­ ganismen um wenigstens den Faktor 100 erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Außenhülle auch wenigstens ein Samenkorn einge­ schlossen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Mikroorganismen in zahlreichen Kügelchen aus einer vernetzten Trägerstruktur immobilisiert in der Außenhülle eingeschlossen werden.

5. Verfahren nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kügelchen an das Samenkorn angelagert und an­ schließend zusammen mit dem Nährmedium in der Außenhülle eingeschlossen werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kügelchen als Vollkugeln ausgebildet werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Samenkorn mit einem ersten Vernetzungs­ partner für die Außenhülle getränkt wird und anschließend zusammen mit den Mikroorganismen mit einem zweiten Ver­ netzungspartner umgeben wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in der Außenhülle zusätzlich ein Feuchtig­ keitsspender eingeschlossen wird.

9. Immobilisat zur Bekämpfung von Pflanzenschädlingen durch Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bestehend aus einer vernetzten Außenhülle, in der Mikro­ organismen zusammen mit einem Nährmedium eingeschlossen sind.

10. Immobilisat nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß es zusätzlich wenigstens ein Samenkorn enthält.

11. Immobilisat nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeich­ net, daß die Mikroorganismen in der vernetzten Außenhülle innerhalb einer Vielzahl von Kügelchen aus einer vernetzten Trägerstruktur eingeschlossen sind.

12. Immobilisat nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kügelchen an dem Samenkorn haften.

13. Immobilisat nach einem der Ansprüche 9 bis 12, gekennzeich­ net durch eine aus wenigstens einem Polyelektrolyt gebilde­ te Außenhülle.

14. Immobilisat nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine Außenhülle, die ein Alginat, vorzugsweise Ca-Alginat, ent­ hält.

15. Immobilisat nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine Außenhülle, die einen Sulfoalkygruppen enthaltenden Cellu­ loseether, insbesondere eine Sulfoalkylcellulose, vorzugs­ weise Sulfoethylcellulose, enthält.

16. Immobilisat nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine Außenhülle, die eine Carboxyalkylcellulose, vorzugsweise Carboxymethylcellulose, enthält.

17. Immobilisat nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Kügelchen aus Alginat gebildet sind.

18. Immobilisat nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenhülle unmittelbar auf einem Samenkorn mit den daran haftenden Mikroorganismen und einem anhaftenden Nährmedium ausgebildet ist.