Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Exemplarische Entwicklung eines biologischen Pflanzenschutzmittels auf der Basis eines gut charakterisierten Bakterienstammes mit dem Anspruch auf kommerzielle Nutzung. Im Mittelpunkt steht die Erarbeitung optimaler Fermentationsparameter zur Konditionierung Gram-negativer, nicht sporenbildender Bakterien f\u00fcr einen anschlie\u00dfenden Formulierungsprozess. Mittels Testsystemen unter Einbeziehung bodenb\u00fcrtiger Schadpathogene (Verticillium spp., Rhizoctonia spp.) im Winterrapsanbau sollen die Effektivit\u00e4t der erarbeiteten Formulierungsvarianten untersucht werden. Am Ende der Entwicklung soll ein marktf\u00e4higes biologisches Pr\u00e4parat zur Verf\u00fcgung stehen, welches zur Substitution fungizider Bodenbehandlungen mit synthetischen Pr\u00e4paraten beitragen soll.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDurch eine Optimierung von Fermentationsmedien und Fermentationsparametern soll ein Verfahren zur Massenvermehrung von Pseudomonas fluorescens bzw. Serratia plymuthica erarbeitet werden. Die Realisierung hoher Zelldichten mit konstant hohen antifungischen Eigenschaften sowie mit einer hohen Exudation extrazellul\u00e4rer Polysaccharide bilden dabei die ma\u00dfgeblichen Ziele. Durch ein Scale-up-Prozess soll das optimale Fermentationsverfahren ohne Qualit\u00e4tsverlust beim Fermentationsprodukt in den
\nProduktionsma\u00dfstab \u00fcberf\u00fchrt werden. Die Eignung verschiedener Separationsverfahren zur schonenden Gewinnung der Zellen soll dabei untersucht werden. Parallel dazu sollen die Entwicklung eines geeigneten Formulierungsverfahrens mittels Wirbelschicht-, Spr\u00fch- oder Gefriertrocknung sowie die Untersuchungen zur Wirkung der formulierten und nicht formulierten Bakterien durchgef\u00fchrt werden. Durch Variation von Prozessparametern und Einsatz osmotisch wirksamer Hilfsstoffe soll eine schonende, vitalit\u00e4tserhaltende Trocknung der Bakterienzellen realisiert werden. Neben der antifungischen Wirksicherheit sollen Lagerstabilit\u00e4t und Anwenderfreundlichkeit des Pr\u00e4parates als Zielparameter dienen.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
In dem Forschungsprojekt (Az 08535) wurden Methoden zur Produktion und Formulierung von gramnegativen Bakterien der Arten Serratia marcescens, Pseudomonas chlororaphis sowie der grampositiven Arten Streptomyces albidoflavus und S. rimosus entwickelt.
\nDie selektierten Bakterien wurden mit ph\u00e4notypischen (API, BIOLOG, Antibiogramm, Fetts\u00e4ureanalyse) und genotypischen Methoden charakterisiert, um sie auf Grund spezifischer Eigenschaften oder spezifischer molekularer Fingerprints von anderen Isolaten der gleichen Art unterscheiden zu k\u00f6nnen. Die hierzu verwendeten Methoden des DNA-Fingerprintings ARDRA (Amplified Ribosomal DNA Restrictions Analysis), Box-PCR (Polymerase Chain Reaction) und PFGE (Pulsed Field Gel Elektrophoresis) f\u00fchrten zur genauen Charakterisierung der oben genannten Arten. Hierdurch werden einerseits die patentrechtli-che \u00dcberwachung der Nutzung dieser Bakterien andererseits aber auch \u00f6kologische Beobachtungen (z.B. Populationsdynamik) unter unsterilen Bedingungen (Boden, Rhizosph\u00e4re) erm\u00f6glicht.
\nIm zweiten Arbeitsschritt wurde unter Nutzung einer Pilotanlage f\u00fcr die genannten Bakterien ein opti-miertes Fermentations- und Formulierungsverfahren entwickelt. Dabei wurde besonders die F\u00e4higkeit der gramnegativen Bakterien zur Produktion extrazellul\u00e4rer Polysaccharide sowie der grampositiven Bakterien zur Bildung von Endosporen genutzt. Diese Eigenschaften verbessern die \u00dcberlebensrate der Bakterienzellen im Formulierungsprozess und w\u00e4hrend der Lagerung als formuliertes Produkt und erm\u00f6glichen dadurch erst die Handhabung als biologisches Pflanzenschutzmittel. Unter Nutzung dieser Produktionsverfahren war es m\u00f6glich, Pr\u00e4parate herzustellen, welche f\u00fcr einen Versuchszeitraum von drei Monaten relativ stabile Eigenschaften aufwiesen. Auf Grundlage der vorliegenden Ergebnisse erscheint die Herstellung entsprechender praxisgerechter Pr\u00e4parate auf kommerziellem Niveau ohne wesentliche Modifikationen m\u00f6glich. Weitere Untersuchungen sollten die im Forschungsprojekt erzielten Ans\u00e4tze nutzen und sich insbesondere der Induktion bakterieller Exopolysaccharid-Produktion im Fermentationsprozess widmen. Die Autoren sehen darin eine herausragende M\u00f6glichkeit, nicht Sporen bildende Bakterien im Sinne einer verbesserten Haltbarkeit in nachfolgenden Formulierungsprozessen zu konditionieren. Dadurch w\u00fcrden bisher nicht vorhandene M\u00f6glichkeiten f\u00fcr die Verwendung hoch potenter gram-negativer Bakterien als biologische Pflanzenschutzmittel ergeben.
\nDie Wirksamkeit der entwickelten Bakterienformulierungen wurde am Pathosystem Rhizoctonia solani – Zuckerr\u00fcbe, Salat bzw. Kartoffel untersucht. Grunds\u00e4tzlich konnte festgestellt werden, dass die formulierten Bakterien eine verbesserte Wirksamkeit im Vergleich zu nicht formulierten Fermenterbr\u00fchen aufwiesen. Die Wirkung der Bakterienformulierungen zur Bek\u00e4mpfung von R. solani an Zuckerr\u00fcben konnten insgesamt nicht befriedigen. Der Behandlungseffekt beschr\u00e4nkte sich auf eine F\u00f6rderung des Pflanzenwachstums. Befallsreduktionen waren in den meisten F\u00e4llen nicht signifikant. Weil es sich in den Praxisversuchen meist um Tastversuche handelte, waren die Anwendungsstrategien f\u00fcr die entsprechenden Pr\u00e4parate noch wenig entwickelt, so dass durch weiteren Erfahrungszuwachs in diesem Bereicht verbesserte Wirkungsgrade erzielt werden k\u00f6nnen. An Salat konnten insbesondere Formulierungen von Serratia marcescens C51 und Pseudomonas chlororaphis L29-1-8 eine gute Bek\u00e4mpfung von R. solani gew\u00e4hrleisten. Kombiniert mit den zus\u00e4tzlichen wachstumsstimulierenden Effekten dieser Bakterienformulierungen an Salat erscheint eine \u00dcberf\u00fchrung als Pilotprodukt in die praktische Anwendung als sehr aussichtsreich. Gleiches l\u00e4sst sich f\u00fcr die Anwendung dieser Bakterien als Pflanzenst\u00e4rkungsmittel f\u00fcr die Anwendung in Erdbeerkulturen feststellen. In weiteren Versuche soll eine Optimierung der Produktformulierung und der Einsatzstrategie erreicht werden.
\nDie kommerzielle Nutzung des im Projekt erarbeiteten Know-hows wird in erster Linie abh\u00e4ngig sein von der Gr\u00f6\u00dfe des potentiellen Marktes und von der Wirksamkeit des entwickelten Pflanzenschutzmittels. Gleichzeitig muss ein Pflanzenschutzpr\u00e4parat gem\u00e4\u00df den geltenden Richtlinien in einem Zulassungsverfahren f\u00fcr die Anwendung im Pflanzenbau gepr\u00fcft werden. Es ist geplant, in weiteren Praxisversuchen die Wirksamkeit insbesondere des Bakterium S. marcescens C51 weiter zu optimieren und eine Grundlage zu schaffen, welche den Aufwand einer Zulassung und mittelfristige Markteinf\u00fchrung eines neuen Produktes rechtfertigen.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Publikationen
\nBerg, G., and P. L\u00fcth. 1999. Das Rhizobakterienisolat Streptomyces rimosus HRO71 zur Pflanzenst\u00e4rkung und Anwendung gegen phytopathogene Bodenpilze an verschiedenen Kulturpflanzen. Deutsches Patent 199-28-690.6.
\nMarten, P., Minkwitz, A., Br\u00fcckner, S., L\u00fcth, P. and G. Berg. 2000. Biologische Kontrolle pflanzenpathogener Pilze mit Rhizovit auf der Basis von Streptomyces spec. DSMZ 12424. Mitt. Biol. Bundesanstalt 376:573-574.
\nMarten, P., Br\u00fcckner, S., Minkwitz, A., L\u00fcth, P. and G. Berg. 2000. Rhizovit\u00ae: Impact and formulation of a new bacterial product. In: Formulation of microbial inoculants. COST Action 830\/Microbial inoculants for agriculture and environment. Koch, E. and P. Leinonen (eds.). 78-82.
\nBerg, G., Marten, P., Minkwitz, A., and S. Br\u00fcckner. 2001. Efficient Biological Control of fungal plant diseases by Streptomyces rimosus DSMZ 12424. J. Plant Dis. Protect. 108:1-10.
\nBerg, G., Marten, P., Minkwitz, A., Br\u00fcckner, S., and P. L\u00fcth. 2001. Efficient Biological control of fun-gal plant diseases by Streptomyces sp. DSMZ12424. IOBC Bulletin 24:9-14.
\nMarten, P., Br\u00fcckner, S., and G. Berg. 2001. Biologischer Pflanzenschutz mit Rhizobakterien – eine umweltfreundliche Alternative zur Kontrolle boden- und samenb\u00fcrtiger Pilze. Gesunde Pflanzen 53:224-234.
\nVortr\u00e4ge
\nJanuar 1999: Vortrag am Institut f\u00fcr Mikrobiologie der Universit\u00e4t T\u00fcbingen (Prof. Dr. G. Winkelmann) Antagonistische Rhizobakterien: Interaktionen und Biologischer Pflanzenschutz
\nApril 1999: Biological control of Verticillium wilt in strawberry and oilseed rape. X. Conference: Methods of estimation of biological control agents in the protection of plants against soil-borne pathogens. Skier-newice\/Polen.
\nJanuar 2000: Vortrag am Institut f\u00fcr Botanik der Universit\u00e4t Hamburg (Prof. Dr. Adam) Rhizobakterien im Biologischen Pflanzenschutz
\nJuni 2000: Vortrag am Institut f\u00fcr Kulturpflanzenforschung (Dr. Hofemeister) in Gatersleben Antagonisti-sche Rhizobakterien: Analyse und Anwendung im Pflanzenschutz Januar 2001: Vortrag an der Biologi-schen Bundesanstalt f\u00fcr Land- und Forstwirtschaft (Dr. Kornelia Smalla) in Braunschweig Strategie zur Bewertung potentieller Biological Control Agents von Verticillium-Wirtspflanzen
\nJuli 2001: Vortrag am Institut f\u00fcr Zierpflanzenforschung (Dr. D. Schwarz) in Gro\u00dfbeeren: Antagonistische Rhizobakterien im biologischen Pflanzenschutz: Potenzial und Risiken
\nNovember 2001: Vortrag an der Universit\u00e4t Kiel (Dr. U. Ehlers): Antagonistische Bakterien: Analyse und Potenzial f\u00fcr den biologischen Pflanzenschutz
\nPoster
\nBr\u00fcckner, S.; Berg, G.; Marten, P.; Minkwitz, A.; Metz, G. 1999. Biologische Kontrolle von samenb\u00fcrti-gen Pilzpathogenen an Gem\u00fcse- und Gew\u00fcrzpflanzen durch Beizung des Saatgutes mit n\u00fctzlichen Bakterien. 2. Symposium Phytomedizin und Pflanzenschutz im Gartenbau, Wien, Austria, 1999.
\nMarten, P., Minkwitz, A., Br\u00fcckner, S., L\u00fcth, P. and G. Berg. 1999. Rhizovit: impact and formulation of a new bacterial product. EU-Workshop Formulation of microbial inoculants 5.-6-2.1999 in Braunschweig.
\nMarten, P., Minkwitz, A., Br\u00fcckner, S., L\u00fcth, P. and G. Berg. 1999. Rhizovit: impact and formulation of a new bacterial product. X. Conference Methods of estimation of biological control agents in the protection of plants against soil-borne and leaf pathogens. 22.-23.4.1999 in Skierniewice (Poland).
\nBerg, G., Marten, P., Minkwitz, A., Br\u00fcckner, S., and L\u00fcth, P. 1999. Biological control of soil-borne diseases with Rhizovit based on Streptomyces rimosus. Internat. Symposium Biological control agents in crop and animal protection. 24.-28.8.1999 in Swansea (UK).
\nBerg, G., Marten, P., Minkwitz, A., Br\u00fcckner, S., and L\u00fcth, P. 1999. Biological control of soil-borne diseases with Rhizovit based on Streptomyces rimosus. COST Workshop: Nematode-Rhizobacteria in-teraction. Bonn.
\nMarten, P., Minkwitz, A., Br\u00fcckner, S., L\u00fcth, P., and Berg, G. 2000. Biologische Kontrolle pflanzen-pathogener Pilze mit Rhizovit\u00ae auf der Basis von Streptomyces spec. DSMZ 12424. Pflanzenschutztagung Weihenstephan.
\nBerg, G., Marten, P., Minkwitz, A., and S. Br\u00fcckner. 2000. Efficient biocontrol of fungal plant diseases by Rhizovit\u00ae on the basis of Streptomyces sp. DSMZ 12424. Intern. Workshop Biocontrol agents: modes of action and their interaction with other means of control. Sevilla\/Spain.
\nBerg, G., Marten, P., Minkwitz, A., and S. Br\u00fcckner. 2000. Biological control of fungal plant diseases: Rhizovit\u00ae on the basis of Streptomyces sp. DSMZ 12424. 9th International Symposium on Microbial Ecology Interactions in the Microbial World in Amsterdam.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Die im Projekt erarbeiteten Ergebnisse zeigen, dass die Herstellung eines biologischen Pflanzenschutzmittels auf der Basis Endosporen bildender bzw. Exopolysaccharid bildender Bakterien m\u00f6glich ist. Die entwickelten Pilotformulierungen von Streptomyces rimosus, Pseudomonas fluorescens und Serratia marcescens erf\u00fcllen bez\u00fcglich Handhabbarkeit prinzipiell die Erfordernisse eines kommerziell nutzbaren Pr\u00e4parates. Aufgrund komplexer Probleme bei der Durchf\u00fchrung von Wirksamkeitstest im Gew\u00e4chshaus und in Feldversuchen konnten noch keine abschlie\u00dfenden Aussagen \u00fcber Marktf\u00e4higkeit der entwickelten Pr\u00e4parate gemacht werden. Diese Fragestellung soll in nachfolgend durchgef\u00fchrten Untersuchungen beantwortet werden. Es ist geplant, die Herstellung des Stammes S. marcescens als biologisches Pflanzenst\u00e4rkungs- bzw. Pflanzenschutzmittel im kommerziellen Ma\u00dfstab zu entwickeln und zu etablieren.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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