Vlinderbloemigen, de plantenfamilie waartoe onder meer erwten, bonen en klaver behoren, kunnen stikstof uit de lucht vastleggen en benutten voor hun groei. Ze danken dat unieke vermogen aan een symbiose met een bacterie.
Grote agromultinationals zoals het Chinees-Zwitserse Syngenta en het Amerikaanse Corteva brengen nu bacteriepreparaten op de markt die dit vermogen ook naar belangrijke voedingsgewassen moeten brengen als maïs, tarwe, aardappelen en koolzaad. Op die manier zou de teelt minder afhankelijk zijn van kunstmest.
Maar in een recent overzichtsartikel in het tijdschrift Plant & Soil trekken vier vooraanstaande experts op het gebied van biologische stikstofbinding de beweringen van bedrijven in twijfel over de werking van deze preparaten. „Niet één van de claims blijkt te kloppen”, zegt Ken Giller, eerste auteur van het artikel en emeritus-hoogleraar plantaardige productiesystemen van de Wageningen Universiteit. „In de veertig jaar dat ik me met dit onderwerp bezighoud, heb ik nog nooit iets gezien dat werkte. In het lab misschien, maar nooit in het veld.”
Stikstofbinding voor andere gewassen dan vlinderbloemigen is de heilige graal in de landbouw. Al ruim honderd jaar wordt ernaar gezocht, maar biologische stikstofbinding bleef lang ongrijpbaar. Sinds een paar jaar echter is er een stroom aan wetenschappelijke artikelen op gang gekomen waarin biologische stikstofbinding bij niet-vlinderbloemigen wordt gepresenteerd als hét duurzame alternatief voor kunstmest.
Symbiose
Mondiaal is de landbouw nog altijd sterk afhankelijk van kunstmest. Zonder kunstmest zou volgens schattingen van Our World in Data slechts de helft van de huidige wereldbevolking in leven blijven. De productie van kunstmest vergt echter veel (fossiele) energie en toepassing heeft ook milieu-nadelen, zoals uitspoeling van nutriënten naar grond- en oppervlaktewater.
De natuurlijke vastlegging van stikstof heeft die nadelen niet. Door een speling van het lot in de evolutie is dit vermogen echter alleen aan de vlinderbloemigen voorbehouden. Verre voorouders van deze plantenfamilie zijn er ongeveer zestig miljoen jaar geleden in geslaagd om de bodembacterie Rhizobium te verleiden tot samenleving, symbiose. Hun wortels produceren bepaalde signaalstoffen (flavonoïden) waarmee ze bacteriën ‘verleiden’ om zich te vestigen in een plantencel van een knolletje op de wortel. De bacteriën zetten met behulp van het enzym nitrogenase stikstof uit de lucht (N2) om in ammonia (NH3), een verbinding die de plant kan opnemen. In ruil daarvoor de krijgen ze energierijke koolhydraten van de plant.
De preparaten die de industrie sinds een paar jaar op de markt brengt om deze nuttige symbiose te kopiëren, bevatten andere bacteriën dan Rhizobium. Het gaat om vrij levende bacteriën die in de wortelzone leven of op en in bovengrondse delen van de plant. Volgens de producenten worden die bacteriën opgenomen in de wortels en bladeren van de plant en leggen ze tussen de 30 en 50 kilogram stikstof per hectare vast, een hoeveelheid die overeenkomt met circa 100 tot 130 kilogram kunstmest. Afhankelijk van het soort gewas is dat ongeveer de helft van de totale hoeveelheid kunstmest die per seizoen wordt gebruikt.
Niet één van de inmiddels tientallen preparaten doet wat beloofd wordt
Maar daar klopt helemaal niets van, schrijven Giller en zijn mede-auteurs in Plant & Soil. Volgens hen is het een typisch voorbeeld van ‘science losing its way’, zoals de titel van hun artikel luidt. Onderzoekers gebruiken elk snippertje bewijs om hun hypothese te ondersteunen en een mooi verhaal te maken. Als we verder willen komen dan de huidige brij aan foutieve studies, schrijven ze, moeten we terug naar de zuivere wetenschap waarbij onderzoekers hun best doen om hun hypothese te ontkrachten.
In hun overzichtsartikel leggen Giller en zijn collega’s daarom alvast zelf de hypothese van biologische stikstofbinding door niet-vlinderbloemigen op het aambeeld. En dan blijkt dat niet één van de inmiddels tientallen preparaten doet wat beloofd wordt, stikstof uit de lucht vastleggen in hoeveelheden die voor de boer relevant zijn.
Sterker nog, een van de preparaten beschikt niet eens over de erfelijke eigenschappen die coderen voor het enzym nitrogenase, dat verantwoordelijk is voor stikstofbinding. Het gaat om de bodembacterie Methylobacterium symbioticum, die onder de merknaam BlueN door Corteva op de markt wordt gebracht. Dat er incidenteel toch een iets hogere opbrengst wordt gemeten, is volgens de onderzoekers hoogstwaarschijnlijk te danken aan het feit dat de bacterie vrij grote hoeveelheden cytokinine produceert, een groeihormoon voor planten.
Andere preparaten, zoals Vixeran van de Chinees-Zwitserse onderneming Syngenta, bevatten bacteriën die wel stikstof kunnen binden. De hoeveelheden zijn echter landbouwkundig niet relevant. Bij Azotobacter salienestris bijvoorbeeld, de bacterie die Syngenta gebruikt, gaat het in onze contreien om zo’n vier kilo stikstof per hectare. Bovendien bevinden de bacteriën zich niet in de plantencel, zoals wordt gesuggereerd maar in de ruimte tussen de cellen. Anders dan Rhizobium in zijn wortelknolletje zijn ze daardoor ook niet beschermd tegen zuurstof, dat voor het enzym nitrogenase giftig is. Als er al sprake is van een hogere opbrengst dan is die hoogstwaarschijnlijk ook te danken aan groeihormonen die de bacterie produceert, zoals indoolazijnzuur en gibberilline.
Onafhankelijke veldproeven
Anders dan bedrijven beweren laten onafhankelijk uitgevoerde veldproeven zien dat de preparaten niet of nauwelijks effect hebben op de opbrengsten. Vorig jaar hebben twaalf universiteiten in de Corn Belt, het Midden-Westen van de Verenigde Staten, ruim zestig veldproeven gedaan met verschillende gewassen. Bij twee ervan was weliswaar een klein (positief) effect te zien, maar dat lijken toevalstreffers. Bij een vergelijkbare reeks veldproeven met zomertarwe en koolzaad in de Canadese provincie Saskatchewan blijken de preparaten van Syngenta en Corteva evenmin effect te hebben, noch op de opbrengst in kilo’s, noch op concentraties aan eiwit en olie in de gewassen, laat onderzoeksleider Chris Holzapfel van het landbouwkundig proefstation in Indian Head per e-mail weten.
Kleine boeren worden blij gemaakt met een dooie mus
Zorgwekkend, menen Giller en zijn medeauteurs. Een belangrijk motief voor het schrijven van hun overzichtsartikel is de populariteit van biologische stikstofbinding bij internationale ontwikkelingsfondsen en particuliere organisaties als de Bill & Melinda Gates Foundation. Giller: „De preparaten worden steeds vaker aanbevolen voor uitgeputte bodems in Afrika en Azië. Kleine boeren zouden geen of veel minder (dure) kunstmest nodig hebben. Ze worden blij gemaakt met een dooie mus en als hun oogst mislukt, wacht de honger.”
Er zijn alternatieven om met minder kunstmest de bodemvruchtbaarheid te behouden dan wel te verbeteren. Giller zelf leidde tot voor kort een groot project, N2-Africa, waarbij boeren werd geleerd om vlinderbloemigen op te nemen in het teeltplan om zo de stikstofvoorraad in de bodem te verhogen. Dat neemt de behoefte aan kunstmest niet weg, maar er is wel veel minder nodig. In eigen land kan er nog veel gewonnen worden door efficiënter gebruik van stikstof uit kunstmest en dierlijke mest. Momenteel wordt ongeveer 40 procent van de aangevoerde stikstof benut. Dat kan een stuk beter door de kunstmestgift af te stemmen op de groeifase van het gewas. Daardoor spoelt er minder nitraat uit naar grond- en oppervlaktewater en verdwijnt er minder lachgas (een sterk broeikasgas) in de atmosfeer. Aan zulke teeltmaatregelen valt voor bedrijven echter weinig of niets te verdienen.