DE60015349T2

DE60015349T2 - Methoden zur steigerung des pflanzenwachstums durch die verwendung von wasserstoffgas

Info

Publication number: DE60015349T2
Application number: DE60015349T
Authority: DE
Inventors: B. David LAYZELL; Zhongmin Dong; Lishu Wu
Original assignee: Queens University at Kingston
Current assignee: Queens University at Kingston
Priority date: 1999-07-30
Filing date: 2000-07-24
Publication date: 2006-02-16
Anticipated expiration: 2020-07-25
Also published as: EP1204325A1; US7162834B2; US20050178057A1; ZA200200174B; AU6418100A; AU774111B2; CA2378571A1; US20030041515A1; EP1204325B1; WO2001008493A1; US6848212B2; DE60015349D1; ATE280498T1

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Verbesserung des Pflanzenwachstums oder -ertrags. Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf Verfahren zur Verbesserung des Pflanzenwachstums oder -ertrags durch Einwirkenlassen von Wasserstoffgas (H₂) auf den Boden.
Hintergrund der Erfindung
Die moderne Landwirtschaft beruht auf der ausgedehnten Verwendung von Düngern und chemischen Pestiziden, um angesichts einer steigenden Weltbevölkerung, expandierender Urbanisierung und Landzerstörung hohe Produktionsmengen aufrechtzuerhalten. Die verbreitete Verwendung von Agrikulturchemikalien hat jedoch zu Umweltproblemen wie Toxizität und Eutrophierung geführt, was ein größeres Interesse an alternativen Ansätzen zur Erhöhung und nachhaltigen Verbesserung der landwirtschaftlichen Produktivität zur Folge hat.
Die Bodenmikroflora (z.B. Bakterien, Pilze) kann das Pflanzenwachstum verbessern, indem sie Nährstoffe für Pflanzen verfügbar macht (d.h. Nährstoffe in einer Form bereitstellt, die die Pflanze nutzen kann), wodurch die Aufnahme von mineralischen Nährstoffen erhöht und die Pflanzen vor Schädlingen und Krankheiten geschützt werden (Hart et al. 1986; Williams und Sparling 1988; Insam et al. 1991; Srivastava und Singh 1991; Bankole und Adebanjo 1996; Omar und AbdAlla 1998). Zum Beispiel ist bekannt, dass die Mycorrhiza-Assoziation mit Pflanzenwurzeln das Wachstum verstärkt, indem sie die Aufnahme von Phosphor und anderen Nährstofen fördert. Alternativ dazu wurden mehrere das Pflanzenwachstum fördernde Wurzelbakterien (PGPR) identifiziert, die das Pflanzen wachstum stimulieren, indem sie verhindern, dass Phytopathogene das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen hemmen (O'Sullivan und O'Gara 1992; Sivan und Chet 1992; Cook 1993; Glick 1995), oder indem sie Pflanzen mit Verbindungen wie fixiertem Stickstoff, Phosphat, Phytohormonen oder löslich gemachtem Eisen aus dem Boden versorgen (Brown 1974; Kloepper et al. 1988, 1989; Glick 1995).
Es ist schon lange bekannt, dass eine Verstärkung des Pflanzenwachstums in natürlicher Weise durch Fruchtwechsel oder Zwischenfruchtanbau mit Pflanzen, die zur Familie der Leguminosen gehören (z.B. Klee, Luzerne), durchgeführt werden kann. Typischerweise kann dies zu erheblichen Erhöhungen des Wachstums und Ertrags der Nicht-Leguminosen-Feldfrucht führen. Leguminosen bilden eine symbiotische Beziehung zu bestimmten Bodenmikroorganismen, die zur Bildung von Strukturen, die "Knöllchen" genannt werden, an ihren Wurzeln führt. Wurzelknöllchen nutzen von der Pflanze stammendes Kohlenhydrat und das Enzym Nitrogenase, um atmosphärisches Distickstoffgas (N₂) in eine reduzierte Form von Stickstoff (N) umzuwandeln (zu fixieren), die Pflanzen nutzen können, wobei Wasserstoffgas (H₂) als Nebenprodukt auftritt. Als Ergebnis sind Leguminosen in der Lage, ohne Stickstoffdünger, einen teuren landwirtschaftlichen Eintrag, der der Umwelt viel abverlangt, zu wachsen. Interessanterweise kann nur etwa 25% der Erhöhung des Wachstums der Nicht-Leguminosen-Feldfrucht einer verbesserten N-Ernährung zugeschrieben werden. Die übrigen 75% des Effekts entziehen sich einer Erklärung (Bolton et al. 1976; Hesterman et al. 1986; Fyson und Oaks 1990), obwohl unter anderem die folgenden Faktoren vorgeschlagen wurden: das Aufbrechen von Krankheitscyclen, das Öffnen von Kanälen für Wurzelwachstum durch das harte Gestein und die Änderung des Gleichgewichts von Mikronährstoffen im Boden.
Ziel der Erfindung
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verbesserung des Pflanzenwachstums oder -ertrags bereitzustellen, indem man den Boden Wasserstoffgas (H₂) aussetzt.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Gemäß einem breiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Verbesserung des Pflanzenwachstums oder -ertrags bereitgestellt, das das Einwirkenlassen von H₂-Gas auf den Boden und das Wachsenlassen von Pflanzen in dem Boden umfasst. Der H₂ ausgesetzte Boden kann auch mit Boden, der nicht H₂ ausgesetzt wurde, kombiniert werden, und Pflanzen können auf dem so kombinierten Boden wachsen gelassen werden. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt der Anteil des H₂ ausgesetzten Bodens an dem kombinierten Boden zwischen etwa 5 und 100 Volumenprozent. Weiterhin kann der H₂ ausgesetzte Boden mit Boden kombiniert werden, in dem Pflanzen bereits wachsen.
Gemäß der Erfindung kann das eingesetzte H₂-Gas durch die Elektrolyse von Wasser erzeugt werden. In anderen Ausführungsformen wird das H₂-Gas dadurch, dass man einen elektrischen Strom in den Boden leitet, um H₂ direkt im Boden zu erzeugen, oder durch H₂-entwickelnde Mikroorganismen erzeugt. Im letzteren Fall können die H₂-entwickelnden Mikroorganismen auch N₂-fixierende Mikroorganismen sein. Die N₂-fixierenden Mikroorganismen können symbiotische stickstofffixierende Bakterien, die mit Leguminosen assoziiert sind, oder Bodenbakterien sein.
Gemäß der Erfindung umfasst das Verfahren weiterhin den Schritt des Einbringens des Bodens, der H₂ ausgesetzt werden soll, in einen Behälter, der das Herausdiffundieren von H₂ minimiert, und des Anwendens von H₂ auf den Boden in dem Behälter. In einer alternativen Ausführungsform umfasst das Verfahren weiterhin den Schritt des Bedeckens des Bodens, der H₂ ausgesetzt werden soll, mit einer Membran, die eine geringe H₂-Durchlässigkeit aufweist, und das Bereitstellen von H₂ unter der Membran, wobei wenigstens ein Teil der Einwirkung von H₂ auf den Boden unterhalb der Membran erfolgt.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Verbesserung des Pflanzenwachstums oder -ertrags bereitgestellt, das Folgendes umfasst: Gewinnen einer Bodenprobe und Einwirkenlassen von H₂-Gas auf die Bodenprobe, wobei die Einwirkung von H₂ auf den Boden die Fähigkeit von Bodenmikroorganismen zum Oxidieren von H₂ verstärkt und wobei die verstärkte Fähigkeit von Mikroorganismen das verbesserte Wachstum oder den verbesserten Ertrag von Pflanzen, die in dem Boden wachsen, noch potenziert.
Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst das Verfahren weiterhin das Isolieren der Mikroorganismen und das Aufbringen der Mikroorganismen auf Boden, Saat oder Pflanzenwurzeln, wobei das Aufbringen der Mikroorganismen das verbesserte Wachstum oder den verbesserten Ertrag von Pflanzen noch potenziert. In noch einer anderen Ausführungsform werden die Mikroorganismen kultiviert und auf Boden, Saat oder Pflanzenwurzeln aufgebracht.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Verbesserung des Pflanzenwachstums oder -ertrags bereitgestellt, das das Einwirkenlassen von H₂-Gas auf den Boden, das Gewinnen eines Extrakts des Bodens, der H₂-Gas ausgesetzt wurde, und das Aufbringen des Extrakts auf Saat, Pflanzenwurzeln oder Boden umfasst. In einer Ausführungsform ist der Extrakt ein wässriger Extrakt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden jetzt beispielhaft anhand der Begleitzeichnungen beschrieben, wobei:
1 die Wachstumsreaktion von Gerste auf luft- bzw. H₂-behandelten Boden von drei Orten in Bezug auf Trockenmasse von Wurzel und Spross nach 38 bzw. 48 Tagen Wachstum zeigt; und
2 die Wachstumsreaktion von Sojabohne, Gerste und Raps auf luft- bzw. H₂-behandelten Boden unter verschiedenen Ernährungsbedingungen in Bezug auf Trockenmasse von Wurzel und Spross nach 41 bis 42 Tagen Wachstum zeigt.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
In Wurzelknöllchen von Leguminosen ist Wasserstoffgas (H₂) ein Nebenprodukt der Stickstofffixierung, das etwa 33% der Reduktionskraft und des ATP, das zum Nitrogenase-Enzym fließt, beansprucht (die übrigen 67% werden verwendet, um N₂ zu reduzieren). Bei einigen Symbiosen von Leguminosen erzeugen Bakterien auch Aufnahme-Hydrogenase (HUP), ein Enzym, das H₂ oxidieren (Wasser bilden) und dadurch die bei der H₂-Produktion verbrauchte Reduktionskraft zurückgewinnen kann. Viele Symbiosen, insbesondere solche, die in der Landwirtschaft der gemäßigten Breiten genutzt werden, beinhalten jedoch keine Aufnahme-Hydrogenase (d.h. es sind HUP-negative Symbiosen), und das von der Nitrogenase erzeugte H₂ diffundiert aus dem Knöllchen in den Boden.
N₂-Fixierung und H₂-Produktion sind Vorgänge mit hohem Energieaufwand, die etwa 15% der Kohlenhydrate verbrauchen, die die Leguminosenpflanze durch Photosynthese erzeugt. Schätzungsweise stellt das H₂, das von Leguminosen wie in Kanada angebauter HUP-negativer Luzerne in den Boden freigesetzt wird, eine Energiequelle dar, die 5 bis 6% der Nettophotosynthese der Feldfrucht äquivalent ist. Man weiß nicht, warum evolutionäre Prozesse, die Pflanzenzucht von Feldfrüchten oder die Selektion von optimalen N₂-fixierenden Bakterien diesen Energieverlust nicht bei allen Leguminosen reduziert hat.
Die Forscher in der vorliegenden Erfindung haben untersucht, was mit dem H₂ passiert, das von HUP-negativen Leguminosenknöllchen erzeugt wird. Die vorliegende Erfindung beruht wenigstens teilweise auf dem Ergebnis, dass die Einwirkung von H₂ auf den Boden eine das Pflanzenwachstums oder den Ertrag verbessernde Wirkung hat. Im Wesentlichen haben die Erfinder herausgefunden, dass das als Nebenprodukt der Stickstofffixierung durch Leguminosenknöllchen erzeugte H₂ für einen erheblichen Teil der wachstums- oder ertragsverbessernden Wirkungen von Leguminosenböden verantwortlich ist. Typischerweise wird das anhand der Spross- und/oder Wurzellänge oder der frischen oder trockenen Biomasse gemessene Pflanzenwachstum um 10 bis 30% oder mehr erhöht. Vermutlich entsteht die das Pflanzenwachstum fördernde Wirkung als Ergebnis von einem oder mehreren der folgenden Faktoren: H₂-oxidierende Mikroorganismen im Boden, die eine Verbesserung des Nährstoffstatus des Bodens bewirken, der günstig für das Pflanzenwachstum ist; eine Erhöhung der Population von einer oder mehreren Spezies von das Pflanzenwachstum verbessernden Mikroorganismen, wie das Pflanzenwachstum fördernden Wurzelbakterien (PGPR); Erhöhung der Krankheitsresistenz der Pflanze; und Verbesserung der Ausgewogenheit der Wachstumsregulatoren der Pflanze.
Der hier verwendete Ausdruck "verbessertes Pflanzenwachstum" bezieht sich auf die Fähigkeit einer Pflanze, die in Boden, der H₂ ausgesetzt ist, wächst, schneller, größer oder stärker zu wachsen als eine Pflanze, die in Boden wächst, der nicht HZ ausgesetzt ist.
Der hier verwendete Ausdruck "verbesserter Pflanzenertrag" bezieht sich auf die Fähigkeit einer Pflanze, die in Boden, der H₂ ausgesetzt ist, wächst, mehr oder größere Blüten, Samen, Früchte, Blätter, Wurzeln (Biomasse) zu erzeugen als eine Pflanze, die in Boden wächst, der nicht H₂ ausgesetzt ist. Es sei angemerkt, dass eine Pflanze, die einen verbesserten Ertrag aufweist, genauso groß (z.B. genauso hoch) oder sogar kleiner sein kann als eine Pflanze, die keinen verbesserten Ertrag aufweist, aber erstere hat mehr Blüten, Samen, Früchte oder Biomasse. Pflanzen mit erhöhter Biomasse sind resistenter gegen Krankheitserreger und haben im Allgemeinen einen größeren kommerziellen Wert.
Das Ergebnis, dass mit H₂ behandelte Böden das Pflanzenwachstum verbessern, könnte für die beobachteten günstigen Wirkungen von Leguminosen, die im Fruchtwechsel mit Getreide und anderen Feldfrüchten verwendet werden, verantwortlich sein. Wenn dies der Fall ist, kann man durch eine H₂-Düngung von Böden anscheinend die günstigen Wirkungen des Fruchtwechsels erreichen, ohne dass man tatsächlich einen Fruchtwechsel auszuführen braucht. Dieses Ergebnis hilft auch bei der Erklärung der evolutionären Fragen der Art, warum HUP-negative Symbiosen gedeihen, wenn es doch Gene (in vielen Fällen innerhalb derselben Gattung und Spezies) für die energieeffizienteren HUP-positiven Symbiosen gibt. Vielleicht machen die Vorteile der HUP-negativen Symbiosen für das Pflanzenwachstum die größere Energieeffizienz der HUP-positiven Symbiosen wett.
Frühere Untersuchungen, bei denen H₂ in Boden untersucht wurde, haben gezeigt, dass Böden die vorherrschende H₂-Senke sein können (Conrad et al. 1980) und dass ein Teil des von der Nitrogenase von Leguminosen erzeugten H₂ von Bodenmikroorganismen schnell innerhalb weniger cm von den Leguminosenknöllchen oxidiert werden (Schuler et al. 1991a). Trotz zahlreicher Versuche (Conrad et al. 1979a, b, 1983; Haring und Conrad 1994; Haring et al. 1994; Kluber et al. 1995; Lechner und Conrad 1997) müssen die für die H₂-Oxidation in Böden verantwortlichen Mikroorganismen erst noch identifiziert werden, und in einer Studie (Conrad 1988) wurde die Frage gestellt, ob die H₂-Oxidation tatsächlich biologisch oder chemisch ist. Popelier et al. (1985) fanden unter Verwendung eines Systems mit geschlossenem Gasaustausch eine hochsignifikante Korrelation zwischen der mikrobiellen Biomasse des Bodens und der Boden-N₂-Aufnahmegeschwindigkeit, und Schuler et al. (1991b) zeigten, dass Umweltfaktoren wie Temperatur, Bodenwassergehalt und Sauerstoffkonzentration die H₂-Aufnahmeaktivität des Bodens beeinflussen. La Favre et al. (1983) zeigten, dass die H₂-Erzeugung durch Leguminosenknöllchen die H₂-Oxidationskapazität des Bodens induziert und dass diese Kapazität und die Zahl der H₂-oxidierenden Bakterien mit dem Abstand vom Knöllchen exponentiell abnahm. Andere Studien haben bestätigt, dass die Behandlung von Boden mit H₂ zu einer Anreicherung der aeroben autotrophen H₂-oxodierenden Mikroflora führt (Dugnani et al. 1986). Es sei angemerkt, dass sich die hier verwendeten Ausdrücke "H₂-Oxidation" und "H₂-Aufnahme" auf denselben Vorgang beziehen.
Tatsächlich haben die Erfinder unter Verwendung von Böden aus drei Kontinenten (Örtlichkeiten in Kingston, Ontario, Kanada; Montreal, Quebec, Kanada; Halifax, Neuschottland, Kanada; Nedlands, Australien, und Wien, Österreich) bestätigt, dass eine Oxidation von H₂ durch den Boden erfolgt, dass diese Oxidation durch Einwirkung von H₂ auf den Boden erhöht werden kann und dass die H₂-Oxidationskapazität des Bodens mit der Nähe zu den Wurzelknöllchen von Leguminosen wächst. Die Bodenoxidation von H₂ scheint also ein globales Phä nomen zu sein, und soweit diese Oxidation von Bodenmikroorganismen durchgeführt wird, müssen die Mikroorganismen ebenfalls global existieren. Es wird daher erwartet, dass Boden von praktisch jedem Ort weltweit eine gewisse Kapazität zur Oxidation von H₂ aufweisen werden und dass diese Kapazität erhöht werden kann, indem man den Boden H₂ aussetzt. Außerdem wird die günstige Wirkung des Fruchtwechsels mit Leguminosen auf das Wachstum der Feldfrüchte weltweit anerkannt. Unseres Wissens gibt es jedoch keine Studien, in denen die Wirkung der Boden-H₂-Oxidation auf die Wachstumsreaktion von Pflanzen in Betracht gezogen wurde.
Einige frühere Forscher haben versucht, die Gründe dafür zu verstehen, dass Leguminosenböden die Fähigkeit haben, das Wachstum von Nicht-Leguminosen-Feldfrüchten zu verbessern. Zum Beispiel zogen Fyson und Oaks (1990) den Schluss, dass Pilze und nicht Bakterien an der Wachstumsförderung beteiligt seien. Andere haben die Verbesserung Unterbrechungen im Krankheitscyclus oder dem Tiefenwachstum von Leguminosenwurzeln, die in schweren Böden Kanäle öffnen, welche das anschließende Wachstum von Nicht-Leguminosen-Wurzeln ermöglichen, zugeschrieben. Niemand hat irgendwelche Beweise vorgelegt, die vermuten lassen, dass die H₂-Erzeugung durch Leguminosenknöllchen das verbesserte Wachstum oder den verbesserten Ertrag von Pflanzen noch potenziert.
Anscheinend war die bisherige Forschung auf die Aufklärung der Kinetik der H₂-Oxidation durch den Boden, die Natur der beteiligten Organismen und das Schicksal des H₂ in Böden gerichtet. Es gibt keine Studien, in denen die Wirkungen von Boden, der direkt H₂ ausgesetzt wurde, auf das Wachstum von Pflanzen untersucht oder beschrieben wurde. Weiterhin gibt es keine früheren Studien, in denen die H₂-Produktion durch Leguminosenknöllchen mit den wohlbekannten günstigen Wirkungen von Leguminosen beim Fruchtwechsel in Verbindung gebracht wurde.
Gemäß einem breiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Verbesserung des Pflanzenwachstums oder -ertrags bereitgestellt, bei dem Wasserstoffgas (H₂) auf den Boden angewendet wird. Der hier verwendete Ausdruck "Boden" bezieht sich auf jeden Boden oder jede bodenartige Zusammensetzung, die das Pflanzenwachstum unterstützen kann. Gemäß der Erfindung kann zu dem Boden also eine beliebige Zahl von Additiven oder Ersatzmaterialien, wie unter anderem Mulch, Torfmoos, Kompost, Sand, Vermiculit^TM, Promix^TM, Turface^TM und Perlit^TM, gegeben werden. Vorzugsweise ist der eingesetzte Boden ein Boden, in dem vorher Leguminosen gewachsen sind.
Gemäß der Erfindung kann H₂ über eine unter Druck stehende Quelle, wie einen Drucktank oder eine Pumpe, und ein Verteilungssystem, wie Rohre, an den Boden abgegeben werden, wobei die Rohre im Boden vergraben sind und Auslassöffnungen, wie Löcher oder Düsen mit geeigneter Größe und in geeignetem Abstand aufweisen, um den Durchtritt des H₂ in den Boden zu ermöglichen. Die Rohre können auch oberhalb des Bodens verlaufen und zum Beispiel mit Düsen oder Sonden, die nach Bedarf in den Boden gesetzt werden, verbunden sein. Eine Membran, die eine geringe H₂-Durchlässigkeit aufweist, kann über den Boden gelegt werden, wenigstens in der Nähe der Auslassöffnungen oder -düsen, um das Entweichen des H₂ in die Atmosphäre zu minimieren. Bei Anwendungen, bei denen H₂ auf einen Boden angewendet wird, in dem Feldfrüchte bereits gepflanzt sind, sollten sich die Auslassöffnungen oder -düsen so nahe wie möglich bei den Wurzeln der Pflanzen befinden. Bei der Vorbehandlung von Boden oder Bodenersatz, der später mit unbehandeltem Boden gemischt werden soll, können die obigen Verfahren mit Boden verwendet werden, der in einen Behälter mit geringer H₂-Durchlässigkeit gegeben wird. In einem solchen Behälter kann die H₂-Abgabe auch zum Beispiel über Löcher oder Öffnungen erfolgen, die sich im Boden und/oder an den Seiten des Behälters befinden. Solche Massenbehandlungsverfahren können auch eine Apparatur zum entweder ständigen oder zeitweise erfolgenden Mischen und/oder Schütteln des Bodens beinhalten, um den Kontakt des H₂ mit dem gesamten Boden zu erleichtern.
Das verwendete H₂ kann in Gasflaschen vorliegen, oder es kann durch ein anderes geeignetes Verfahren, wie Elektrolyse von Wasser oder einer verdünnten Säure (z.B. H₃PO₄), erhalten werden oder von H₂-entwickelnden (H₂-erzeugen den) Mikroorganismen stammen. In manchen Ausführungsformen wird das H₂-Gas auch in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst, z.B. in wässriger Lösung, bereitgestellt. Die zu verwendende H₂-Quelle hängt von der besonderen Anwendung ab. Wenn H₂ zum Beispiel auf Feldfrüchte in einem Feld angewendet werden soll, ist ein H₂-Abgabesystem auf der Basis von H₂, das aus der Elektrolyse von Wasser stammt, geeignet. Bei einem solchen System kann eine mit Wind- und/oder Solarenergie betriebene Apparatur zur Erzeugung von H₂ durch Elektrolyse und zur Abgabe des H₂ an ein Rohrverteilungsnetz eingesetzt werden. Unter bestimmten Bedingungen, wie einem geeigneten Feuchtigkeitsgehalt des Bodens, ist es auch möglich, H₂ direkt im Boden zu erzeugen, indem man Elektroden in den Boden steckt und einen elektrischen Strom dazwischen fließen lässt. Ein solches System kann zweckmäßigerweise zum Beispiel in einem Feld ausgeführt werden und Wind/Solar-Energie verwenden. Es ist klar, dass Systeme zur Erzeugung und Abgabe von H₂ an Böden und/oder Pflanzen gemäß der Erfindung in vielerlei Art und Weise konfiguriert sein können.
Die Dauer, Strömungsgeschwindigkeit und Konzentration der H₂-Anwendung auf den Boden hängt von der Menge des zu behandelnden Bodens und der optimalen Reaktion des Bodens in Bezug auf seine Fähigkeit, das Pflanzenwachstum zu verbessern, ab und kann vom Fachmann ohne unzumutbare Experimente bestimmt werden. Ähnlich können auch Bedingungen, die die Pflanzenwachstumsreaktion für eine besondere Kombination von Boden und Pflanze mit minimalen Investitionskosten optimieren, ohne unzumutbare Experimente bestimmt werden. Es wurden jedoch verschiedene Behandlungen gefunden, die eine starke Wachstumsreaktion ergeben. Zum Beispiel kann H₂ in einer Konzentration von 500 ppm und mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 100 ml/min auf 1,5 l eines Gemischs von Boden und Sand (v/v = 2:1) (d.h. in einer Menge von 0,134 μmol H₂/g Trockenmasse des Bodens pro h) angewendet werden. Die Dauer einer solchen Anwendung von H₂ liegt in der Größenordnung von Wochen, obwohl auch kürzere Anwendungsdauern in Betracht gezogen werden. Selbstverständlich ist das Ausmaß der H₂-Abgabe an den Boden nicht auf das obige Beispiel beschränkt und kann so variiert werden, dass es für jede spezielle Anwendung passt. Es ist jedoch zu bevorzugen, dass das Ausmaß der H₂-Abgabe an den Boden die Aufnahmefähigkeit (d.h. Oxidationsfähigkeit) des Bodens für H₂ nicht übersteigt, da überschüssiges, nicht oxidiertes HZ verschwendet wäre. Da die Menge an H₂, die vom Boden oxidiert werden kann, mit der Dauer der Einwirkung des H₂ auf den Boden zunimmt, kann die Abgabegeschwindigkeit von H₂ an den Boden mit der Zeit erhöht werden.
Um die verbesserte Wachstumsreaktion zu erhalten, kann H₂ entweder direkt auf den Boden angewendet werden, in dem die Pflanze wächst, oder Samen oder junge Pflanzen können in Böden, die zuvor mit H₂ behandelt wurden, oder in einen unbehandelten Boden, der einen Anteil an Boden, der zuvor mit H₂ behandelt wurde, entweder gemischt oder ungemischt enthält, gesetzt werden. Zum Beispiel kann der Anteil des zuvor mit H₂ behandelten Bodens im Bereich von etwa 5% bis 100% liegen.
Folglich kann die H₂-Behandlung vor dem Einpflanzen oder in jedem beliebigen Stadium des Pflanzenwachstums durchgeführt werden. Vorzugsweise wird die Behandlung vor dem Einpflanzen oder in einem frühen Stadium des Pflanzenwachstums durchgeführt, um das Gesamtwachstum und/oder die Ertragssteigerung zu maximieren.
Es sei angemerkt, dass der H₂-behandelte Boden nicht mit vorhandenem Boden gemischt zu werden braucht, um die gewünschte Wirkung zu erzielen. Zum Beispiel ist es möglich, einfach ein Depot von H₂-behandeltem Boden ganz in der Nähe der Wurzeln einer Pflanze zu platzieren, wodurch der behandelte Boden eingeführt wird, während die Störung einer bereits etablierten Pflanze minimiert wird. Außerdem kann zum Beispiel ein Same, ein gekeimter Same, ein Sämling oder dergleichen in ein Depot von H₂-behandeltem Boden innerhalb von ansonsten unbehandeltem Boden gepflanzt werden. Ähnlich kann während des Umpflanzens zweckmäßigerweise ein Depot von H₂-behandeltem Boden ganz in der Nähe der Wurzeln von Pflanzen platziert werden.
Wenn der Boden mit H₂ behandelt wird, ist es sehr bevorzugt, dass derselbe Boden längere Zeit, typischerweise mehr als eine Woche lang, H₂-Gas ausgesetzt wird. Bei Experimenten, bei denen etwa 2000 ppm H₂ über einen Düsensatz für 60 1 Boden aufgewendet wurde und bei denen der Boden täglich vollständig durchmischt wurde, hatte der resultierende Boden nur eine geringfügige, das Pflanzenwachstum fördernde Aktivität (Daten nicht gezeigt). Wenn jedoch ein ähnlicher Boden genauso behandelt wurde, aber ohne ihn zu durchmischen, oder nur mit vorsichtigem Durchmischen einmal oder zweimal pro Woche, war der resultierende Boden sehr effektiv in Bezug auf die Förderung des Pflanzenwachstums. Diese Experimente scheinen darauf hinzuweisen, dass die wachstumsfördernden Mikroorganismen eine kontinuierliche Einwirkung von H₂ benötigen, um ihre das Pflanzenwachstum fördernde Eigenschaft anzunehmen, und dass das Durchmischen des Bodens diese Einwirkung unterbricht. Dies wird dadurch untermauert, dass wachstumsfördernde Mikroorganismen, die sich im Boden in der Nähe eines Leguminosenknöllchens befinden, einer ständigen Einwirkung von H₂ aus dem Knöllchen ausgesetzt sind.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Verbesserung des Pflanzenwachstums oder -ertrags bereitgestellt, das das Gewinnen eines Extrakts, wie eines wässrigen Extrakts, aus dem Boden, auf den H₂ angewendet wurde, und das Aufbringen des Extrakts auf einen Boden umfasst. Die Erfindung zieht die Anwendung eines solchen Extrakts auf Samen in Betracht, so dass die Samen beim Einpflanzen die gewünschten das Pflanzenwachstum fördernden Eigenschaften effektiv in den Boden einführen.
Leguminosen variieren in Bezug auf die Menge an H₂, die sie an den Boden abgeben, und in Bezug auf das Volumen des Bodens, das sie H₂ aussetzen. Wie oben diskutiert, können HUP-positive Symbiosen zum Beispiel einen Teil oder das gesamte H₂, das die Nitrogenase erzeugt, abfangen, so dass viele HUP-positive Symbiosen wenig oder kein H₂ an den Boden verlieren. Solche Symbiosen gelten als hocheffizient in Bezug auf die N₂-Fixierung. Andererseits können HUP-negative Symbiosen in ihrer H₂-Produktion relativ zur Stickstofffixierung weit variieren (Schubert und Evans 1976). Für die Zwecke dieser Erfindung erzeugen Symbiosen, die in Bezug auf die N₂-Fixierung ineffizient sind, etwa 2 bis etwa 10 H₂/N₂, während effiziente Stämme weniger als etwa 2 H₂/N₂ erzeugen.
Die Menge des H₂, die an den Boden abgegeben wird, und das Volumen des Bodens, das H₂ ausgesetzt wird, werden außer durch die Geschwindigkeit, mit der die Knöllchen H₂ erzeugen, auch durch die Zahl und Verteilung der Knöllchen am Wurzelsystem von Leguminosen bestimmt. Zum Beispiel wirken Leguminosen, die die meisten ihrer Knöllchen in eng gepackten Haufen an der Krone ihres Wurzelsystems aufweisen, auf ein kleineres Bodenvolumen ein (wenn auch in größerem Ausmaß) als Leguminosen, die Knöllchen mit ähnlicher Aktivität haben, die über das Wurzelsystem verteilt sind. Es gibt Hinweise darauf (Carroll et al. 1985, Qian et al. 1996), dass es bei Leguminosen eine genetische Kontrolle über die Stellen der Knöllchenbildung gibt. Es können also Leguminosen mit mehr Knöllchen als eine Wildtyppflanze derselben Spezies und/oder mit einer gleichmäßigeren Verteilung der Knöllchen über das Wurzelsystem durch Zuchtwahl oder Gentechnik erhalten werden.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Verbesserung des Pflanzenwachstums oder -ertrags bereitgestellt, das das Einwirkenlassen von H₂-Gas auf den Boden umfasst, wobei das H₂-Gas von einer Leguminose bereitgestellt wird, die aufgrund ihrer Fähigkeit, H₂-Gas zu erzeugen, ausgewählt wurde. Die Leguminose kann vor einer Zielpflanze, für die ein verbessertes Wachstum oder ein verbesserter Ertrag gewünscht werden (d.h. im Fruchtwechsel), oder in demselben Feld gleichzeitig mit der Zielfeldfrucht (d.h. Zwischenfruchtanbau) gepflanzt werden. Die Leguminose, die aufgrund ihrer Fähigkeit, H₂-Gas zu erzeugen, ausgewählt wurde, kann eine Leguminose, die HUP-negative stickstofffixierende symbiotische Bakterien aufweist, eine Leguminose mit einem Typ oder Stamm von stickstofffixierenden symbiotischen Bakterien, der ein ineffizienter Stickstofffixierer ist, eine Leguminose, die eine erhöhte Zahl von Knöllchen aufweist, und/oder eine Leguminose mit verteilten Knöllchen sein. Weiterhin kann die Leguminose, die aufgrund ihrer Fähigkeit, H₂-Gas zu erzeugen, ausgewählt wurde, eine Leguminose, die Symbionten aufweist, die so genetisch modifiziert wurden, dass sie ineffiziente Stickstofffixierer sind, und/oder eine Leguminose, die so genetisch modifiziert wurde, dass sie verteilte Knöllchen aufweist, sein. Die Auswahl einer Leguminose aufgrund ihrer Fähigkeit, H₂-Gas zu erzeugen, gemäß diesem Aspekt der Erfindung steht im Gegensatz zur traditionellen Verwendung von Leguminosen für Kornertrag, Fruchtwechsel oder Zwischenfruchtanbau, da Leguminosen traditionell aufgrund ihrer Fähigkeit, die N₂-Fixierung zu maximieren und damit die H₂-Erzeugung zu minimieren, ausgewählt werden (Eisbrenner und Evans 1983).
Wie oben erwähnt, ist der Mechanismus, mit dem die H₂-Düngung von Böden das Pflanzenwachstum fördert, noch nicht völlig verstanden, obwohl vieles dafür spricht, dass H₂-oxidierende Mikroorganismen im Boden ein verstärktes Pflanzenwachstum oder einen verstärkten Pflanzenertrag potenzieren. Dies kann über einen direkten Mechanismus erfolgen. Alternativ dazu kann es auch eine Reihe von Ereignissen oder Akteuren zwischen der Anwendung von H₂ und dem verstärkten Pflanzenwachstum oder -ertrag geben. Kürzlich erhaltene experimentelle Ergebnisse beweisen ein erhöhtes Wachstum von bestimmten Bakterien, worauf die Anwesenheit von hervorstechenden Kolonien im Boden nach einer Einwirkung von H₂ auf den Boden hinweist. Eine vorläufige Untersuchung ergab, dass diese Kolonien aus fadenförmigen Bakterien in weißen oder gelben Kolonien bestehen. Bodenproben, die die Kolonien enthalten, wurden mit sterilem Wasser verdünnt, und es wurde eine Verdünnungsreihe hergestellt, und Kolonien wurden in Gegenwart von 10% H₂ und 5% CO₂ in Luft entweder auf einem Mineralsalzmedium oder auf einem Bodenextraktmedium gezüchtet. Einzelne Kolonien wurden isoliert, auf eine andere Kultur unter denselben Bedingungen übertragen und auf ihre Fähigkeit getestet, H₂-Gas zu oxidieren. Kolonien, die H₂ oxidieren, wurden isoliert, und es wird erwartet, dass sie das Pflanzenwachstum potenzieren, wenn sie auf Boden aufgebracht werden, der nicht mit H₂ behandelt wurde.
Die Erfindung zieht also ein Verfahren zur Verbesserung des Pflanzenwachstums oder -ertrags in Betracht, das das Aufbringen von H₂-oxidierenden Mikroorganismen auf den Boden, die Samen oder Wurzeln von Pflanzen beinhaltet. Gemäß der Erfindung können die H₂-oxidierenden Mikroorganismen aus Bodenproben isoliert werden, die gemäß der obigen Beschreibung H₂ ausgesetzt wurden. Die H₂-oxidierenden Mikroorganismen können kultiviert werden und stellen die effizienteste Methode dar, um das von der Erfindung bereitgestellte verbesserte Pflanzenwachstum oder den verbesserten Ertrag zu erhalten. Selbstverständlich kann H₂ direkt auf Kulturen von H₂-oxidierenden Bodenmikroorganismen angewendet werden, um das Wachstum der Mikroorganismen vor dem Aufbringen auf den Boden, die Samen und die Pflanzenwurzeln zu erhöhen.
Auf den Inhalt aller wissenschaftlichen Veröffentlichungen, die in dieser Anmeldung zitiert werden, wird ausdrücklich Bezug genommen.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele näher beschrieben.
Beispiel 1: Wachstumsreaktion von Gerste
Böden wurden von drei Örtlichkeiten in oder in der Nähe von Kingston, Ontario, Kanada, erhalten: unter einem Rasen (O), aus einem Heufeld (F) und aus einem Hausgarten (G). Jeder Boden wurde mit Sand gemischt (Boden:Sand = 2:1), und mit jedem Typ von Boden:Sand-Gemisch (im Folgenden als Boden bezeichnet) wurden sechs 1,5-l-Töpfe gefüllt. Drei 1,5-l-Töpfe jedes Bodentyps wurden zufällig für die Behandlung mit Hz ausgewählt, und die übrigen drei 1,5-l-Töpfe jedes Bodentyps waren Kontrollen und wurden mit Luft behandelt. Bei der H₂-Behandlung wurde H₂ durch Elektrolyse von 100 mM H₃PO₄ erzeugt und so einem kontinuierlich strömenden Luftstrom zugeführt, dass man eine Konzentration von 500 ppm erhielt. Jeder 1,5-l-Topf erhielt 100 ml/min während 47 Tagen, während die Konzentration des H₂, das in den Topf eintrat und ihn wieder verließ, unter Verwendung eines H₂-Gassensors überwacht wurde (Layzell et al. 1984). Die Luftbehandlung war identisch, außer dass es keine Elektrolyse gab und das H₃PO₄ durch Wasser ersetzt wurde.
Nach der 47 Tage dauernden Vorbehandlung wurde der Boden innerhalb jeder Behandlung (H₂ oder Luft) gründlich gemischt und auf drei 500-ml-Töpfe verteilt. Zwei Tage später wurden neun Gerstensamen in jeden Topf gepflanzt, und die Töpfe wurden täglich mit Leitungswasser gegossen. Achtunddreißig Tage nach dem Einpflanzen wurden die Gerstenpflanzen für jeden Bodentyp und jede Behandlung zur Analyse der Trockenmasse von Wurzel und Spross geerntet. Die Pflanzen wurden bei 80 °C bis zur Massenkonstanz getrocknet.
Achtunddreißig Tage nach dem Säen war das Trockengewicht der Gerstenpflanzen aus den H₂-behandelten Böden um 17 bis 49% größer als bei denjenigen aus den luftbehandelten Böden (1), wobei die Sprosse für den größten Teil der Wachstumsverbesserung verantwortlich sind (Tabelle 1). Die Böden, die unter Rasen hervorgeholt worden waren, zeigten die größte Wachstumsverbesserung mit H₂ (49%), während der Gartenboden die geringste zeigte (17%). Unter den Luftbehandlungen waren die Pflanzen, die im Gartenboden wuchsen, die größten, was vermuten lässt, dass die H₂-Behandlung auf schlechten Böden besonders effektiv ist.
Tabelle 1: Vergleiche des Trockengewichts von Gerste (pro Pflanze)
Beispiel 2: Wachstumsreaktion von Sojabohne, Gerste und Raps
Ackerboden, der in der Nähe von Kingston, Ontario, Kanada, erhalten wurde, wurde mit Sand gemischt (Boden:Sand = 2:1), und in zwei Behälter wurden jeweils 50 l des Boden:Sand-Gemischs (im Folgenden als Boden bezeichnet) ge geben. Einer der Behälter wurde mit H₂ (500 ppm, zugeführt aus einem Drucktank mit hochreinem Gas) in einem Luftstrom, der andere nur mit Luft behandelt. Die Strömungsgeschwindigkeit von Luft oder H₂ betrug anfangs 2,5 l/min pro Behälter. Nach 22 Tagen wurde die H₂-Konzentration auf 1000 ppm erhöht, und nach weiteren 7 Tagen wurde sie auf 2000 ppm erhöht. Während der Einwirkung der Luft bzw. des H₂ wurde der Boden alle 5 Tage durchmischt. Sowohl die Luft- als auch die H₂-Anwendung wurde 65 Tage nach Beginn abgebrochen, und 14 Tage später wurden 500-ml-Töpfe mit luft- oder H₂- vorbehandeltem Boden gefüllt und zufällig einer von fünf Ernährungsbedingungen zugeordnet: +NPK; -N+PK; -P+NK; -K+NP; -NPK, wobei N in einer Menge von 0,06 g N/Topf, P in einer Menge von 0,05 g P₂O₅/Topf und K in einer Menge von 0,06 g K₂O/Topf zur Verfügung gestellt wurde.
Die Dünger wurden vollständig mit dem Boden gemischt, bevor Samen gepflanzt wurden. Für jede Behandlung wurden sechs Töpfe verwendet. Innerhalb jedes Topfs wurde eine einzelne Feldfrucht gepflanzt, was entweder 9 Gerstensamen, 5 Rapssamen oder 4 Sojabohnensamen beinhaltete. Die Pflanzen wurden täglich mit Leitungswasser gegossen, 41 oder 42 Tage nach dem Einpflanzen geerntet und zur Analyse der Trockenmasse von Wurzel und Spross bis zur Massenkonstanz getrocknet.
Wie man aus 2 ersieht, zeigten alle drei Feldfruchtspezies ein verbessertes Wachstum (15–19%) in Bezug auf die Trockenmasse von Wurzel und/oder Spross, wenn der Boden mit H₂ vorbehandelt war und alle Ernährungsanforderungen der Pflanzen erfüllt wurden. In manchen Fällen jedoch, wie bei Raps, dem N oder K vorenthalten wurde, gab es keine Wirkung der H₂-Vorbehandlung.
Beispiel 3: Bodenextrakt
Ackerboden, der in der Nähe von Kingston, Ontario, Kanada, erhalten wurde, wurde wie in Beispiel 2 mit Luft oder H₂ in Luft behandelt. Dann wurde 1 l lose gepackter Boden mit 1 l destilliertem Wasser extrahiert. Das Wasser und der Boden wurden etwa eine Minute lang gemischt und 5 Minuten lang absetzen gelassen (2 × wiederholen). Der Extrakt wurde entnommen, durch eine Reihe von Sieben und dann Mulltuch gedrückt und über Nacht absetzen gelassen. Ein feiner Schlamm setzte sich auf den Boden ab, und der klare Extrakt wurde in den Experimenten verwendet. Gerstensamen wurden in 30 ml unextrahierten Ackerboden gepflanzt, dem 30 ml Bodenextrakt zugesetzt wurde, von denen 0,1 oder 3 ml aus den H₂-behandelten Böden erhalten wurden. Der verbleibende Extrakt wurde aus den luftbehandelten Böden erhalten. Danach wurden Gerstenpflanzen mit Leitungswasser gegossen und einmal pro Woche mit 20:20:20 gedüngt. Sie wurden nach 25 Tagen Wachstum geerntet und bei 70 °C bis zur Massenkonstanz getrocknet.
Die Ergebnisse (Tabelle 2) zeigten, dass eine signifikante Wachstumsverstärkung von 28% für Wurzeln und 36% für Sprosse erhalten wurde, wenn der Boden beim Aussäen mit 3 ml Extrakt versetzt wurde.
Tabelle 2: Wirkung eines wässrigen Extrakts von H₂-behandeltem Boden auf das Trockengewicht von Gerstenwurzeln und -sprossen. Die Werte sind als Mittelwert +/- Standardabweichung (5A) angegeben (n = 11).
Beispiel 4: Wachstumsreaktion von Sommerweizen
Ackerboden von einem Bauernhof im Annapolis Valley, Neuschottland, wurde mit feinem klarem Filtersand gemischt (Boden:Sand = 2:1), und in zwei Behälter wurden jeweils 50 l des Boden:Sand-Gemischs gegeben. Einer der Behälter wurde mit H₂ (2000 ppm, zugeführt aus einem Drucktank mit hochreinem Gas) in einem Luftstrom, der andere nur mit Luft behandelt. Die Strömungsgeschwindigkeit von Luft oder H₂ betrug 2 l/min pro Behälter. Die Behandlung wurde nach 30 Tagen unterbrochen, und der Boden wurde sofort für Wachstumsexperimente mit Sommerweizen verwendet. Die Böden wurden in grüne Kunststoff-Sämlingsschalen (9er-Pack) gegeben, wobei jeder Topf 60 ml Bodengemisch und einen Sommerweizensamen enthielt. Die Pflanzen wurden täglich mit 1/10 Hoagland-Lösung mit 5 mM NH₄NO₃ gegossen und dann nach 30 Tagen geerntet, und das Trockengewicht der Wurzeln und Sprosse wurde protokolliert.
Wie man aus Tabelle 3 ersieht, war das Wachstum sowohl von Wurzel als auch von Spross des Sommerweizens im H₂-behandelten Boden um mehr als 30% größer (p ≥ 0,01) als im luftbehandelten Boden.
Tabelle 3: Wirkung der H₂-Vorbehandlung von Boden auf die Biomasse von Sommerweizen nach 30 d Wachstum in diesem Boden. Die Werte sind als Mittelwert +/- Standardabweichung angegeben (n = 18).
Beispiel 5: Bodenimgfsubstanz
Boden wurde von einem Bauernhof im Annapolis Valley, Neuschottland, erhalten. Der Boden wurde mit feinem klarem Filtersand gemischt (Boden:Sand = 2:1). Zwei Glasröhrchen (Durchmesser 3,3 cm, Länge 123 cm) wurden mit dem Boden:Sand-Gemisch gefüllt. Ein Röhrchen wurde mit Wasserstoff (2000 ppm, zugeführt aus einem Drucktank mit hochreinem Gas) in einem Luftstrom, der andere nur mit Luft behandelt. Die Strömungsgeschwindigkeit von Luft oder Wasserstoff betrug 150 ml/min pro Röhrchen. Sowohl die Luft- als auch die Wasserstoffanwendung wurde nach 44 Tagen abgebrochen, und der Boden wurde sofort für Wachstumsexperimente mit Weizen verwendet.
Die Böden und Promix wurden in einem Verhältnis von 1:19 (v/v) gründlich miteinander gemischt. Die grünen Kunststoff-Sämlingsschalen (9er-Packs) wurden verwendet, um Sommerweizen wachsen zu lassen. Jeder Topf enthielt etwa 60 ml Boden-Promix-Gemisch. Sommerweizensamen wurden 2 Tage lang zwischen nassen Papiertüchern in Petri-Schalen eingeweicht. In jeden Topf wurde ein Same gepflanzt. Die Pflanzen wurden täglich mit Hoagland-Lösung mit 1/10 Stärke mit 5 mM NH₄NO₃ gegossen. Die Pflanzen wurden 35 Tage nach dem Einpflanzen geerntet.
Nach 35 Tagen war das Trockengewicht von Sommerweizenpflanzen, die mit H₂behandeltem Boden geimpft worden waren, um etwa 20% größer als bei luftbehandeltem Boden (Tabelle 4). Außerdem bildeten die in H₂-behandeltem Boden gewachsenen Pflanzen ihre Ähre etwa zwei bis drei Tage früher als Pflanzen, die in luftbehandelten Böden wuchsen.
Tabelle 4: Wirkung eines 5%igen Gemischs von H₂-behandelten Böden auf die Biomasse von Sommerweizen nach 35 d Wachstum. Die Werte sind als Mittelwert +/- Standardabweichung angegeben (n = 72).
Beispiel 6: Fungizidanwendung
Ackerboden, der von einem Bauernhof im Annapolis Valley, Neuschottland, erhalten wurde, wurde wie in Beispiel 5 behandelt und mit Promix gemischt. Einige Böden wurden mit dem Fungizid Benomyl^TM (36 mg/l) behandelt, eine übliche Samenbehandlung, die in der Landwirtschaft verwendet wird. Kunststoff-Sämlingsschalen (9er-Pack) wurden mit etwa 60 ml Boden-Promix-Gemisch versehen, und ein Sommerweizensame wurde eingesät, nachdem er 2 Tage lang zwischen nassen Papiertüchern in einer Petri-Schale keimen gelassen wurde. Die Pflanzen wurden täglich mit Hoagland-Lösung mit 1/10 Stärke, die 5 mM NH₄NO₃ enthielt, gegossen und 35 Tage nach dem Einpflanzen geerntet.
Das Fungizid Benomyl verbesserte das Wachstum von Sommerweizen sowohl in luft- als auch in H₂-behandelten Böden (Tabelle 5, 6 und 7). Das Experiment lässt vermuten, dass die Fungizidbeschichtung vieler kommerzieller Feldfruchtsamen die Wirkung der H₂-Behandlung des Bodens nicht beeinträchtigt und umgekehrt. Tatsächlich kann die Wachstumssteigerung durch Benomyl und H₂-Düngung additiv sein (Tabelle 5). Die Wasserstoffaufnahmefähigkeit von Boden wurde durch Benomyl nicht beeinträchtigt (Daten nicht gezeigt).
Tabelle 5: Die Wirkung von Benomyl- und H₂-Vorbehandlung von Böden auf die Biomasse von Sommerweizen nach 35 d Wachstum. Die Werte sind als Mittelwert +/- Standardabweichung angegeben.
Tabelle 6: Die Wirkung von Benomyl- und H₂-Vorbehandlung von Böden auf die Biomasse von Sprossen und Wurzeln von Sommerweizen nach 35 d Wachstum. Die Werte sind als Mittelwert +/- Standardabweichung angegeben.
Tabelle 7: Die Wirkung von H₂-Vorbehandlung von Benomyl-behandelten Böden auf die Biomasse von Sprossen und Wurzeln von Sommerweizen nach 35 d Wachstum. Die Werte sind als Mittelwert +/- Standardabweichung angegeben.
Beispiel 7: Wachstumsreaktion
Die Methoden waren ähnlich wie oben in Beispiel 2. Kurz gesagt, Ackerboden aus Wien, Österreich, wurde mit Sand gemischt (Boden:Sand = 2:1), und das Boden:Sand-Gemisch (im Folgenden als Boden bezeichnet) wurde in zwei Behälter gegeben. Einer der Behälter wurde mit H₂ (500 ppm) in einem Luftstrom, der andere nur mit Luft behandelt. Die Strömungsgeschwindigkeit von Luft oder H₂ betrug anfangs 1,25 l/min pro Behälter. Während der Einwirkung von Luft bzw. H₂ wurde der Boden jeden Tag gemischt. Am Ende der Luft- und H₂-Anwendung wurden Töpfe mit luft- oder H₂-vorbehandeltem Boden gefüllt. Raps-, Mais-, Gersten- und Sojabohnensamen wurden gepflanzt. Die Pflanzen wurden regelmäßig gegossen und gedüngt. Zu den protokollierten Daten gehörten die Zahl der Tage bis zur ersten Blüte und die Trockenbiomasse. Die Daten wurden noch nicht im Einzelnen analysiert; es war jedoch klar, dass der in H₂-behandeltem Boden gewachsene Mais und Raps weniger Tage bis zur ersten Blüte benötigten und eine größere Biomasse hatten als die Pflanzen, die in luftbehandeltem Boden wuchsen. Die Erfinder glauben, dass noch bessere Ergebnisse erreicht worden wären, wenn der Boden nicht täglich gemischt worden wäre. Die Gersten- und Sojabohnenpflanzen wurden versehentlich überdüngt, und daher wurden für diese Spezies keine Daten erhalten.
Beispiel 8: Feldversuche
Böden von Feldern in Minto, Manitoba (MB), und am Nova Scotian Agricultural College, Truro, Neuschottland (NS), wurden in 70-l-Kunststoffbehälter gegeben und mit 3 bis 5 l/min entweder Luft oder eines Luft-H₂-Gemischs versorgt (Einwirkungsmenge bis zu 250 μmol H₂/l Boden/h). Nach 1 bis 2 Wochen Einwirkung nahm die mit einem Wasserstoffgasanalysator (Modell 5121, Qubit Systems Inc., Kingston, Ontario) gemessene H₂-Aufnahmeaktivität des H₂-behandelten Bodens stark zu. Sobald der H₂-behandelte Boden 250 μmol H₂/l/h verbraucht hatte, wurde er weitere 3 Wochen lang mit dieser Einwirkungsdosis versorgt.
Nach etwa 5 Wochen wurden die luft- und H₂-behandelten Böden getrennt gemischt und am nächsten Tag in Feldversuchen an den obigen Örtlichkeiten für Gerste (MB und NS) und Sommerweizen (nur MB) verwendet. Für jede Feldfrucht wurde eine zufällige Blockgestaltung verwendet, die 4 (MB) oder 5 (NS) Replikate von drei Behandlungen beinhaltete: luftbehandelter Boden, H₂-behandelter Boden und unbehandelter Boden (Kontrolle). Eine V-förmige Mulde wurde in Abständen von 15 cm gemacht, und die behandelten oder unbehandelten Böden wurden in einer Menge von etwa 230 ml Boden/m Reihe (1,65 l behandelter Boden pro m²) in NS und 950 ml Boden/m Reihe (6,4 l behandelter Boden pro m²) in MB auf den Boden der Mulde gebracht. In MB wurden Weizensamen in einer Dichte von 120 kg/ha und Gerstensamen in einer Dichte von 150 kg/ha gepflanzt. In den NS-Parzellen wurden Gerstensamen in einer Dichte von ungefähr 140 kg/ha gepflanzt. Alle Samen wurden von Hand gepflanzt, und in MB wurden die Samen mit Dünger (20-20-20) in einer Menge von 100 kg/ha versetzt. Die Samen wurden dann mit Ackerboden bedeckt. In NS wurde Dünger (17-17-17) ausgeworfen und in einer Menge von 300 kg/ha in den Boden geharkt, bevor die Mulde gemacht wurde.
In MB wurde nach 7 Wochen die Zahl der Schösslinge pro Pflanze ermittelt, während in NS die Zahl der Ähren pro 2 m Reihe nach 8 Wochen Wachstum bestimmt wurde (Tabelle 8). Kein Effekt wurde zwischen der Kontrolle und den luftbehandelten Böden beobachtet. Die Gersten- und Sommerweizensamen, die in H₂-behandelten Boden gepflanzt wurden, zeigten jedoch Zahlen von Schösslingen/Ähren, die um 36% bis 48% höher waren als bei den luftbehandelten oder Kontrollböden.
Tabelle 8: Wirkung des Pflanzens von Samen in mit H₂-Gas vorbehandelte Böden auf die Zahl der vorhandenen Schösslinge bei Gerste oder Sommerweizen (MB) oder auf die Zahl der erzeugten Ähren pro 2 m Reihe Gerste (NS).
Es wird erwartet, dass größere Schösslings- und Ährenzahlen, die man bei den Pflanzen beobachtet, die in H₂-behandelten Böden wachsen, zu einem erheblich größeren Ertrag führen als bei solchen, die in Ackerboden wuchsen. Die minima le Menge des H₂-behandelten Bodens, die benötigt wird, um Erträge zu optimieren, und ob eine längere Vorbehandlung des Bodens mit H₂ dessen Fähigkeit, das Wachstum und den Ertrag von Feldfrüchten zu steigern, erhöht, kann durch Routineexperimente, die zur Zeit in Arbeit sind, bestimmt werden.
Der Fachmann wird Äquivalente der hier beschriebenen speziellen Ausführungsformen erkennen oder durch Routineversuche feststellen können. Solche Äquivalente gelten als in den Umfang dieser Erfindung fallend und sind durch die beigefügten Ansprüche abgedeckt.
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Claims

Methode für das Verbessern des Pflanzenwachstums oder -ertrags, die das Aussetzen von Erde H₂-Gas gegenüber und das Anbauen einer Pflanze in der Erde umfasst.
Methode nach Anspruch 1, die des Weiteren das Kombinieren der H₂ gegenüber ausgesetzten Erde mit nicht H₂ gegenüber ausgesetzter Erde und das Anbauen der Pflanze in der so kombinierten Erde umfasst.
Methode nach Anspruch 2, wobei die Menge der kombinierten Erde, bei der es sich um die H₂ gegenüber ausgesetzte Erde handelt, ca. 5 bis 100 Vol.-% beträgt.
Methode nach Anspruch 1, wobei die H₂ gegenüber ausgesetzte Erde mit Erde kombiniert wird, in der die Pflanze schon wächst.
Methode nach Anspruch 1, wobei ein Samen oder eine Pflanze in die nicht H₂ gegenüber ausgesetzte Erde neben einem Volumen der H₂ gegenüber ausgesetzten Erde gepflanzt wird.
Methode nach Anspruch 1, wobei es sich bei der H₂ gegenüber ausgesetzten Erde um Erde handelt, in der die Pflanze schon wächst.
Methode nach Anspruch 1, wobei das H₂-Gas durch Elektrolyse von Wasser gebildet wird.
Methode nach Anspruch 7, wobei das H₂-Gas durch Bereitstellen eines elektrischen Stroms in der Erde zur Bildung von H₂ direkt in der Erde gebildet wird.
Methode nach Anspruch 1, wobei das H₂-Gas durch Mikroorganismen gebildet wird, die auf Grund ihrer Fähigkeit, H₂ zu entwickeln, ausgewählt werden.
Methode nach Anspruch 9, wobei es sich bei den H₂ entwickelnden Mikroorganismen auch um N₂ fixierende Mikroorganismen handelt.
Methode nach Anspruch 1, wobei das H₂-Gas durch eine Hülsenpflanze geliefert wird, die auf Grund ihrer Fähigkeit, H₂-Gas zu erzeugen, ausgewählt wird.
Methode nach Anspruch 11, wobei die Hülsenpflanze HUP-symbiotische Stickstoff-fixierende Bakterien aufweist.
Methode nach Anspruch 11, wobei die Hülsenpflanze ineffiziente Stickstoff fixierende Bakterien aufweist.
Methode nach Anspruch 11, wobei die Hülsenpflanze eine verteilte Knöllchenbildung aufweist.
Methode nach Anspruch 11, wobei die Hülsenpflanze eine erhöhte Anzahl von Knöllchen aufweist.
Methode nach Anspruch 1, die des Weiteren das Einbringen der Erde in einen Behälter, der die Diffusion von H₂ daraus minimiert, und das Aufbringen von H₂ auf die Erde im Behälter umfasst.
Methode nach Anspruch 1, die des Weiteren das Bedecken der Erde mit einer Membran, die eine geringe Durchlässigkeit für H₂ aufweist, und das Bereitstellen von H2 unterhalb der Membran umfasst, wobei mindestens ein Teil des Aussetzens der Erde H₂ gegenüber unterhalb der Membran stattfindet.
Methode nach Anspruch 1, wobei das H₂-Gas durch in die Erde eingebrachte Röhren oder hohle Sonden in die Erde eingegeben wird.
Methode nach Anspruch 1, wobei die Exposition der Erde H₂ gegenüber die Fähigkeit von Mikroorganismen in der Erde, H₂ zu oxidieren, erhöht und wobei die erhöhte Fähigkeit der Mikroorganismen in der Erde ein besseres Wachstum oder einen besseren Ertrag einer in der Erde wachsenden Pflanze ermöglicht.
Methode nach Anspruch 19, die des Weiteren Folgendes umfasst: Isolieren der Mikroorganismen und Aufbringen der Mikroorganismen auf die Erde, Samen oder Pflanzenwurzeln, wobei das Aufbringen von Mikroorganismen ein verbessertes Wachstum oder einen verbesserten Ertrag einer Pflanze ermöglicht.
Methode nach Anspruch 20, die des Weiteren das Züchten der Mikroorganismen und das Aufbringen der Mikroorganismen auf den Boden, Samen oder Pflanzenwurzeln umfasst.
Methode für das Verbessern von Pflanzenwachstum oder -ertrag, die das Aussetzen von Erde H₂-Gas gegenüber, das Herstellen eines Extrakts der dem H₂-Gas gegenüber ausgesetzten Erde und das Aufbringen des Extrakts auf Samen, Pflanzenwurzeln oder Erde umfasst.
Methode nach Anspruch 22, wobei es sich bei dem Extrakt um einen wässrigen Extrakt handelt.
Methode nach Anspruch 1, wobei das H₂-Gas durch Mikroorganismen in der Erde gebildet wird.
Methode nach Anspruch 1, die des Weiteren das Kombinieren der H₂ gegenüber ausgesetzten Erde mit nicht H₂ gegenüber ausgesetzter Erde und das Anbauen der Pflanze in der so kombinierten Erde umfasst, wobei das H₂ durch H₂ entwickelnde Mikroorganismen gebildet wird.