artikel afdrukken
bionieuws 16, 11-10-2014

achtergrond
Microben vormen oplossing voor mineralencrisis

De bodem zit vol met stikstof en fosfaat, maar planten kunnen er niet bij. Vlinderbloemigen en bodemschimmels moeten de crises bezweren.

Door Koen Moons
© bionieuws


De noord-zuidkloof, noemt Wagenings hoogleraar Ken Giller hem. De Europese landbouwgronden zijn verzadigd met nitraat en fosfaat, maar in Afrika lijden volkeren honger door het ontbreken van deze mineralen in de bodem. Natuurlijke symbiose tussen peulvruchten en bacteriën zorgt voor vastlegging van stikstof uit de lucht, en kan de landbouw in Afrika een boost geven, blijkt in het N2Africa-project.

Giller is hoogleraar Plantaardige productiesystemen aan Wageningen Universiteit. Hij zette vijf jaar geleden N2Africa op, gefinancierd met tientallen miljoenen euro’s uit de Bill & Melinda Gates Foundation. Toen die hem benaderde met de vraag wat er per direct kan worden gedaan om de landbouwproductie in Afrika te verhogen, wist hij meteen waarop hij wilde inzetten: stikstofvastlegging door peulvruchten.

Giller schetst het probleem waar grote delen van Afrika mee te maken hebben. ‘In veel gebieden is het landbouwsysteem veel te simpel’, stelt hij. ‘Vooral in oostelijk en zuidelijk Afrika verbouwen boeren een of twee gewassen, waarvan een meestal mais is. Daarbij gebruiken ze geen of heel weinig kunstmest, waardoor een nutriëntengebrek ontstaat. Ze gebruiken wel mest van vee, maar dat is lang niet genoeg. Er is meer diversificatie en vruchtwisseling nodig. Belangrijke gewassen in die vruchtwisseling zijn vlinderbloemigen, want die binden stikstof. Ik heb wel eens op een lezing gezegd dat het eigenlijk belachelijk is; een maisplant in Afrika kan bijna niks produceren door tekort aan stikstof, terwijl de lucht om hem heen voor bijna 80 procent uit stikstof bestaat. De oplossing ligt zo ontzettend dichtbij.’

Het is een bekend principe. De meeste soorten uit de vlinderbloemigenfamilie leven in symbiose met stikstofbindende bacteriën: rhizobia. Deze bacteriën zetten stikstof uit de lucht om in een voor de plant beschikbare vorm. De plant maakt door fotosynthese in de bladeren suikers aan, waarvan de bacterie leeft. Ook Nederlandse landbouwers passen dit principe toe, met name biologische boeren. Onder de noemer groenbemester gebruiken ze vaak klaver, maar ook wel luzerne.

Giller zet voor Afrika in op veel waardevollere vlinderbloemige gewassen: peulvruchten. Hij stelt voor onder andere soja, pinda’s, kikkererwten en ogenbonen te verbouwen. Dit zorgt niet alleen voor diversificatie op de akkers, maar ook voor een diversificatie in het dieet van de gezinnen. ‘Dat is iets waar we in dit project ook naar kijken, want wat er op het land groeit, is in de eerste plaats bedoeld voor het eigen gezin. Maar ook als gewassen als veevoer worden gebruikt, zijn peulvruchten een goede aanvulling. Afrika heeft te maken met een explosie van kippen. Een menu van een derde soja en twee derde mais is perfect voor kippen.’

Emmer
In het project krijgen boeren de beste variëteiten van de peulvruchtgewassen en de beste rhizobia, die samen een grote stikstofbinding geven en daarmee een goede oogst. Giller laat een zakje zien met wat turf erin. ‘Turf met daarin de bacterie’, verduidelijkt hij. ‘Dat gooien ze voor het zaaien in een emmer met zaad, even schudden en de bacterie zit op de zaden. Dat is voldoende. De kosten zijn laag, een boer is 3 euro per hectare kwijt, maar er is een heel groot verschil in oogst. Veel boeren noemen het dan ook black magic, of magic powder.’

Niet voor alle gewassen is deze zogenoemde inoculant nodig. Voor bijvoorbeeld pinda is de bacterie overal in de bodem te vinden. Voor gewassen die nieuw zijn in de betreffende gebieden, moeten boeren de bacterie inbrengen.

Hoewel er een onderzoeksaspect aan het project zit, was vanaf het begin ook het toepassen van bestaande kennis een belangrijk onderdeel ervan. Het is een zogenoemd research-in-development-project. Giller: ‘We weten al veel. Dat passen we meteen toe. Vervolgens leren we wat waar werkt en voor wie.’ Hij werkt samen met veredelaars en probeert de beste rassen te integreren in de landbouwsystemen in Afrikaanse landen. Voor een zoektocht naar de beste bacteriën werkt hij samen met René Geurts van de afdeling moleculaire biologie van Wageningen Universiteit. Die selecteert de meest geschikte genotypen bij bepaalde planten. ‘Maar we doen niet aan modificatie, alleen selectie’, verduidelijkt Giller.

De eerste resultaten zijn erg positief, aldus Giller. Het eerste jaar bereikte N2Africa al 250 duizend boeren. De oogsten van peulvruchten zijn over het algemeen goed en ook de daaropvolgende maisoogst valt tot 50 procent hoger uit. Maar een verbeterde stikstofbinding is niet altijd voldoende voor een goede oogst . Giller toont een foto van een akker met slecht groeiende sojaplanten, met daartussen een enorme uitschieter. ‘Daar heeft het jaar ervoor een koe zijn uitwerpselen laten vallen. We hebben de andere planten onderzocht in het lab en zagen dat er andere tekorten ontstaan. Voor de stikstofbindende peulvruchten is dus kunstmest nodig met minder stikstof, maar meer fosfaat en enkele micronutriënten.’

Arbeid
Naast technische successen en leerpunten zijn er ook veel maatschappelijke aspecten duidelijk geworden. ‘Een van de leerpunten is dat boeren beperkt zijn in wat ze in hun land kunnen investeren, ook qua arbeid. Veel boeren gebruiken een deel van hun tijd om geld te verdienen buiten de landbouw. Dat is iets waar we rekening mee moeten houden.’

De eerste periode van vier jaar, waarvoor 22 miljoen beschikbaar was, is ten einde. De Bill & Melinda Gates Foundation heeft nog eens 30 miljoen beschikbaar gesteld tot aan 2019. ‘Een enorm bedrag’, zegt Giller. ‘Maar je moet zien in hoeveel landen we actief zijn en met hoeveel partners we daar ook samenwerken. Vanuit Wageningen kunnen we weinig doen zonder de samenwerking met die partners.’

In de komende jaren werkt N2Africa met deze partners onder andere aan een verdere verspreiding van goed plantmateriaal en een betere aansluiting op de markt in met name steden, op plekken waar er naast het gezin ook voor de markt geproduceerd kan worden.’

Volgens Giller zijn dit soort projecten extreem belangrijk voor de mondiale voedselzekerheid. ‘De grootste groei van de wereldbevolking zal in Afrika plaatsvinden. In Azië zwakt de groei af, in Europa daalt zelfs het inwoneraantal, maar Afrika krijgt te maken met een exponentiële groei. Er zal dus door families meer geproduceerd moeten worden op minder grond. Verbetering van de opbrengsten is dan van levensbelang. En het blijkt ook mogelijk.’


De fosfaatcrisis: het einde der mensheid?
Een groeiende wereldbevolking en een eindige voorraad winbare fosfaaterts zijn de ingrediënten voor een nieuwe wereldwijde crisis: over een paarhonderd jaar zal het fosfaat op zijn. En zonder fosfaat kunnen mensen niet leven. Ook hier bieden schimmels en bacteriën mogelijk een oplossing. Ze helpen fosfaat beter te benutten, of het terug te winnen uit riolen.

Fosfaaterts wordt grotendeels gebruikt voor kunstmest en wordt gewonnen in mijnen in Noord-Afrika. Berekend is dat deze nog maar honderd tot vijfhonderd jaar de groeiende wereldbevolking van fosfaat kunnen voorzien. Bovendien ziet de rest van de wereld de afhankelijkheid van deze fosfaat leverende landen als extra risico.

De ernst van de crisis dringt niet overal door en wordt soms zelfs betwist; toch zoeken her en der al onderzoekers naarstig naar oplossingen. Een van hen is de Canadees Mohammed Hijri, mycorrhiza-expert aan de universiteit van Montreal. Hij toonde de potentie van mycorrhiza bij fosfaatopname door planten in een review in Journal of Biofertilizers & Biopesticides (5 juli 2011).

‘Het probleem dat ik zie is het inefficiënte gebruik van fosfaat en stikstof in de landbouw’, zegt Hijri. ‘Een plant gebruikt slechts 15 procent van deze toegevoegde meststoffen, terwijl het grootste deel verloren gaat en deels in grond- of oppervlaktewater terechtkomt, met bijvoorbeeld blauwalg als gevolg.’

Plantgoed
Ongeveer 80 procent van alle vasculaire plantensoorten leeft in symbiose met een mycorrhizaschimmel. Hieronder zijn belangrijke gewassoorten als mais, tarwe, rijst en aardappelen. Deze symbiose kan de opname van fosfaat door de plant sterk verhogen: van 15 naar 90 procent. Een boer kan daardoor toe met slechts een kwart van zijn eerdere fosfaatgift, rekent Hijri voor. ‘En mycorrhiza zijn in principe overal waar planten kunnen groeien. Maar de landbouw maakt intensief gebruik van fungiciden, onder andere in de vorm van zaadcoating. Samen met de grondbewerking in intensieve landbouw heeft dit een negatieve invloed op de diversiteit en de werking van mycorrhiza. In de literatuur is terug te vinden dat sommige landbouwgebieden mycorrhiza helemaal missen. Door het beheer van mycorrhizadiversiteit kunnen we zorgen dat de plant deze meststoffen beter gebruikt. Zo kunnen we de hoeveelheid ervan verminderen en geld besparen, terwijl we het milieu beschermen.’

Dat beheren van mycorrhizadiversiteit gebeurt met behulp van inoculanten: turf, zaadcoating of plantgoed die de schimmel bevatten. Hijri beschrijft in zijn review succesvol gebruik in India, Mexico en Cuba. Recente proeven in Noord- en Zuid-Amerika tonen een opbrengststijging variërend van 10 procent bij mais tot maar liefst 64 procent bij een proef met groene pepers.

Hijri probeerde afgelopen jaren de problematiek onder de aandacht van het brede publiek te brengen, onder andere in een zogenoemde TED-talk. Hij pleit voor wereldwijde toepassing van mycorrhiza en aanpak van fungiciden en grondbewerking, zodat van nature voorkomende mycorrhiza zich kunnen herstellen. ‘Er zijn veel alternatieven om fosfaat aan andere bronnen te onttrekken, zoals mest en struviet, maar dit zal niet het milieuprobleem veroorzaakt door fosfor oplossen, zoals toxische cyanobacteriebloei.’

Een van de instituten die zich bezighoudt met terugwinning van fosfaat uit afvalwater is het in Leeuwarden gevestigde Wetsus. Cees Buisman is directeur van Wetsus en Wagenings hoogleraar kringlooptechnologie; hij ziet terugwinning als een van de belangrijkste oplossingen voor de fosfaatcrisis. ‘Nu importeren we fosfaat uit landen waar een fosfaattekort ontstaat, terwijl wij een enorm mestoverschot hebben’, zegt Buisman. ‘Het zou mooi zijn als we fosfaat weten terug te winnen in een vorm waarin we het ook weer kunnen exporteren naar de landen waar wij ons fosfaat van krijgen. Dan krijg je echt een fosfaatkringloop.’

Wetsus en Wagening Universiteit onderzoeken drie manieren om dat te doen. ‘Als het fosfaat heel geconcentreerd is en er ammonium aanwezig is, dan kun je er struviet van maken’, legt Buisman uit. ‘Dit kan bijvoorbeeld met pure urine. Maar vaak is het niet zo geconcentreerd. In die gevallen wordt vaak ijzer toegevoegd, waardoor ijzerfosfaat in het slib achterblijft. Dat wordt op dit moment nog verbrand en gedumpt als chemisch afval. Wij onderzoeken hoe we dat ijzerfosfaat op een biologische manier kunnen vrijmaken uit het slib. De derde methode maakt gebruik van bacteriën die fosfaat in een keer omzetten in calciumfosfaatkristallen. Er ontstaat een methaanproducerende biofilm. Binnen deze biofilm neemt de pH toe; hierdoor worden vervolgens calciumfosfaatprecipitaten gevormd. We kunnen dus tegelijk organische stoffen verwijderen en fosfaat terugwinnen. Dat is toch de droom van elke kringlooptechnoloog.’

Als mensen erin slagen 99 procent van hun fosfaat te recyclen, kunnen ze nog een miljoen jaar toe met de bronnen die er nu ter beschikking staan, stelt Buisman. ‘Maar de wereld moet niet wachten tot het op is en de prijs hoger wordt, dan zijn we te laat. We moeten nu vanuit milieuwet-geving actie ondernemen.’