Ureaseinhibitoren

Ureaseinhibitoren sind chemische Verbindungen, die die Aktivität des Enzyms Urease reduzieren oder ganz verhindern. Es handelt sich chemisch um Phosphorsäurediamide, Phosphazene und Thiole, sowie um Derivate der Hydroxamsäure und des Harnstoffs. Die Anwendungsgebiete sind in der Landwirtschaft, der Medizin und der Grundlagenforschung an dem Mechanismus der Inhibition.^[1]

Auch Schwermetallionen (am meisten Silber, Quecksilber, Kupfer) und Kaliumazid hemmen die Urease, können jedoch aufgrund ihrer Toxizität nicht eingesetzt werden. Die Anwendung von Ammoniumthiosulfat scheitert an der Abhängigkeit von Bodeneigenschaften, was das Ergebnis unsicher macht.^[2]

• Phenylphosphorsäurediamid (PPD)
• N-Butylthiophosphorsäuretriamid (NBTPT)
• Monophenoxyphosphazen
• β-Mercaptoethanol
• Acetohydroxamsäure (AHA)
• Thioharnstoff
• Hydroxyharnstoff^[1]

Harnstoff ist weltweit der am häufigsten eingesetzte Stickstoffdünger. Bei Bodenkontakt zersetzt er sich innerhalb der Bodenlösung durch das ubiquitäre Enzym Urease vollständig zu Ammonium und Ammoniak sowie Hydrogencarbonat.^[3] Da Urease zu den am schnellsten umsetzenden Enzymen gehört, erfolgt der komplette Harnstoffabbau nach einer Düngung innerhalb nur weniger Stunden bis maximal Tage.^[4][5] Aufgrund der umsatzbedingten Förderung der Ammoniakbildung gehen mit einer Harnstoffdüngung, im Gegensatz zu anderen Mineraldüngerformen (bspw. Kalkammonsalpeter, Ammoniumsulfat), erhöhte Stickstoffverluste in Form von Ammoniak einher. Nach aktuellen Zahlen des European Emission Inventory Guidebook wird von einem mittleren Ammoniak-N-Verlust von 13 bis 17 % bei Applikation eines reinen Harnstoffdüngers ausgegangen.^[6] Neuere Untersuchungen weisen jedoch darauf hin, dass der Ammoniak-Verlust nach einer Harnstoffdüngung unter Praxisbedingungen aufgrund von Witterungseinflüssen (geringe Temperatur, Niederschläge) sowie regional differenzierten Bodeneigenschaften sehr wahrscheinlich geringer ist.^[7][8]

Durch den Einsatz von Ureaseinhibitoren, welche den sonst raschen Harnstoffabbau für etwa 1 bis 2 Wochen verzögern, kann der mit Harnstoff assoziierte Ammoniak-Verlust um bis zu 90 % reduziert werden.^[9][10] Zusätzlich wird das Eindringen von Harnstoff in den Boden verbessert und damit die Stickstoffverfügbarkeit für die Pflanze weiter erhöht.^[11] In Abhängigkeit der jeweiligen Standortbedingungen (allg. Ertragsniveau, Witterung, Boden) sowie der verwendeten Dünungstechnologie und -terminierung ermöglicht der Einsatz von Ureaseinhibitoren somit eine Steigerung von Ertrag und N-Effizienz.^[12]

Darüber hinaus werden Ureaseinhibitoren oft mit Nitrifikationsinhibitoren kombiniert, um durch die zusätzliche Minderung von Lachgas- und Nitrat-Verlusten Ertrag und N-Effizienz weiter zu optimieren.^{[13][14][15][16]} Zeitgleich sollen auf diese Weise positive Effekte hinsichtlich Pflanzenwachstum und -gesundheit erzielt werden.^{[17][18][19][20][21]} Unter langanhaltenden Ammoniak-Verlustbedingungen kann eine Doppelanwendung von Urease- und Nitrifikationsinhibitoren den Ammoniakminderungseffekt im Vergleich zu einer Einzelanwendung eines Ureaseinhibitors jedoch auch abschwächen.^[22]

Bei unsachgemäßer Anwendung können Ureaseinhibitoren zu Blatt-Nekrosen führen, welche auf die vorübergehende Akkumulation von Harnstoff in den Blattspitzen zurückzuführen sind.^[2]

Bereits bei der Lagerung von Festmist und Gülle treten Stickstoffverluste durch Ureaseaktivität auf. Hier werden Ureasehemmer wie PPDA und NBTPT zugesetzt, um eine langfristige Lagerfähigkeit zu erreichen.

Ammoniak ist auf mehrere Arten umweltschädlich und es existieren Vereinbarungen über Emissionsgrenzwerte. Da etwa 80 Prozent der Ammoniakemissionen (basierend auf Zahlen in Deutschland aus dem Jahr 2005) aus der landwirtschaftlichen Tierhaltung stammen, ergibt sich eine Einsatzmöglichkeit für Ureasehemmer. Diese ist deshalb erfolgversprechender als bei der Düngung, weil die Bedingungen im Stall besser kontrolliert werden können. Eine Reduktion der Emissionen von 50 Prozent konnte bereits in Versuchen erreicht werden.^[1]

Ureasehemmer werden medizinisch bei der Bekämpfung von Keimen eingesetzt, die Harnstoff verstoffwechseln: Helicobacter pylori im Magen sowie Proteus, Klebsiella und andere in den Harnwegen. In beiden Fällen ist die Ammoniakausscheidung für das Überleben des Bakteriums notwendig, und die Inhibition der Urease wäre das Mittel der Wahl, neben der generellen Anwendung von Antibiotika. Von den zwei Arzneistoffen, die von der FDA zugelassen sind, Acetohydroxamsäure und Hydroxyharnstoff, sind starke Nebenwirkungen bekannt.^[23][24]

1. ↑ ^{a b c} Martin Leinker: Entwicklung einer Prinziplösung zur Senkung von Ammoniakemissionen aus Nutztierställen mit Hilfe von Ureaseinhibitoren. Diss. Martin-Luther-Univ. Halle-Wittenberg 2007. urn:nbn:de:gbv:3-000012809(PDF)
2. ↑ ^{a b} Franz Schinner, Renate Sonnleitner: Bodenökologie: Mikrobiologie und Bodenenzymatik Band III: Pflanzenschutzmittel, Agrarhilfsstoffe und Organische Umweltchemikalien. Springer, 1997. ISBN 3-540-61025-1, S. 10ff.
3. ↑ Simon Svane, Jens Jakob Sigurdarson, Friedrich Finkenwirth, Thomas Eitinger, Henrik Karring: Inhibition of urease activity by different compounds provides insight into the modulation and association of bacterial nickel import and ureolysis. In: Scientific Reports. Band 10, Nr. 1, 22. Mai 2020, S. 8503, doi:10.1038/s41598-020-65107-9. 
4. ↑ Jens Jakob Sigurdarson, Simon Svane, Henrik Karring: The molecular processes of urea hydrolysis in relation to ammonia emissions from agriculture. In: Reviews in Environmental Science and Bio/Technology. Band 17, Nr. 2, Juni 2018, S. 241–258, doi:10.1007/s11157-018-9466-1. 
5. ↑ Tobias Kirschke, Oliver Spott, Doris Vetterlein: Impact of urease and nitrification inhibitor on NH 4 + and NO 3 − dynamic in soil after urea spring application under field conditions evaluated by soil extraction and soil solution sampling. In: Journal of Plant Nutrition and Soil Science. Band 182, Nr. 3, Juni 2019, S. 441–450, doi:10.1002/jpln.201800513. 
6. ↑ Hutchings et al.: Crop production and agricultural soils. In: EMEP/EEA air pollutant emission inventory guidebook 2019. European Environment Agency, 2019, abgerufen im Jahr 2021 (englisch). 
7. ↑ Martine Schraml, Andreas Weber, Kurt Heil, Reinhold Gutser, Urs Schmidhalter: Ammonia losses from urea applied to winter wheat over four consecutive years and potential mitigation by urease inhibitors. In: Journal of Plant Nutrition and Soil Science. Band 181, Nr. 6, Dezember 2018, S. 914–922, doi:10.1002/jpln.201700554. 
8. ↑ Thomas Ohnemus, Oliver Spott, Enrico Thiel: Spatial distribution of urea induced ammonia loss potentials of German cropland soils. In: Geoderma. Band 394, Juli 2021, S. 115025, doi:10.1016/j.geoderma.2021.115025. 
9. ↑ Kang Ni, Henning Kage, Andreas Pacholski: Effects of novel nitrification and urease inhibitors (DCD/TZ and 2-NPT) on N2O emissions from surface applied urea: An incubation study. In: Atmospheric Environment. Band 175, Februar 2018, S. 75–82, doi:10.1016/j.atmosenv.2017.12.002. 
10. ↑ Marta Klimczyk, Anna Siczek, Lech Schimmelpfennig: Improving the efficiency of urea-based fertilization leading to reduction in ammonia emission. In: Science of The Total Environment. Band 771, Juni 2021, S. 145483, doi:10.1016/j.scitotenv.2021.145483. 
11. ↑ K. Dawar, M. Zaman, J. S. Rowarth, J. Blennerhassett, M. H. Turnbull: Urea hydrolysis and lateral and vertical movement in the soil: effects of urease inhibitor and irrigation. In: Biology and Fertility of Soils. Band 47, Nr. 2, Februar 2011, S. 139–146, doi:10.1007/s00374-010-0515-3. 
12. ↑ Heitor Cantarella, Rafael Otto, Johnny Rodrigues Soares, Aijânio Gomes de Brito Silva: Agronomic efficiency of NBPT as a urease inhibitor: A review. In: Journal of Advanced Research (= Biotechnological and medical relevance of ureases). Band 13, 1. September 2018, S. 19–27, doi:10.1016/j.jare.2018.05.008. 
13. ↑ Diego Abalos, Simon Jeffery, Alberto Sanz-Cobena, Guillermo Guardia, Antonio Vallejo: Meta-analysis of the effect of urease and nitrification inhibitors on crop productivity and nitrogen use efficiency. In: Agriculture, Ecosystems & Environment. Band 189, Mai 2014, S. 136–144, doi:10.1016/j.agee.2014.03.036. 
14. ↑ Resham Thapa, Amitava Chatterjee: Wheat Production, Nitrogen Transformation, and Nitrogen Losses as Affected by Nitrification and Double Inhibitors. In: Agronomy Journal. Band 109, Nr. 5, September 2017, S. 1825–1835, doi:10.2134/agronj2016.07.0415. 
15. ↑ Zhipeng Sha, Xin Ma, Jingxia Wang, Tiantian Lv, Qianqian Li: Effect of N stabilizers on fertilizer-N fate in the soil-crop system: A meta-analysis. In: Agriculture, Ecosystems & Environment. Band 290, März 2020, S. 106763, doi:10.1016/j.agee.2019.106763. 
16. ↑ Yuncai Hu, Manuela P. Gaßner, Andreas Weber, Martine Schraml, Urs Schmidhalter: Direct and Indirect Effects of Urease and Nitrification Inhibitors on N2O-N Losses from Urea Fertilization to Winter Wheat in Southern Germany. In: Atmosphere. Band 11, Nr. 8, 24. Juli 2020, S. 782, doi:10.3390/atmos11080782. 
17. ↑ Daniel Marino, Idoia Ariz, Berta Lasa, Enrique Santamaría, Joaquín Fernández-Irigoyen: Quantitative proteomics reveals the importance of nitrogen source to control glucosinolate metabolism in Arabidopsis thaliana and Brassica oleracea. In: Journal of Experimental Botany. Band 67, Nr. 11, Mai 2016, S. 3313–3323, doi:10.1093/jxb/erw147, PMID 27085186, PMC 4892723 (freier Volltext). 
18. ↑ Takushi Hachiya, Hitoshi Sakakibara: Interactions between nitrate and ammonium in their uptake, allocation, assimilation, and signaling in plants. In: Journal of Experimental Botany. 21. Dezember 2016, S. erw449, doi:10.1093/jxb/erw449. 
19. ↑ Peng Wang, Zhang-kui Wang, Xi-chao Sun, Xiao-huan Mu, Huan Chen: Interaction effect of nitrogen form and planting density on plant growth and nutrient uptake in maize seedlings. In: Journal of Integrative Agriculture. Band 18, Nr. 5, Mai 2019, S. 1120–1129, doi:10.1016/S2095-3119(18)61977-X. 
20. ↑ Sebastian R. G. A. Blaser, Nicolai Koebernick, Oliver Spott, Enrico Thiel, Doris Vetterlein: Dynamics of localised nitrogen supply and relevance for root growth of Vicia faba ('Fuego') and Hordeum vulgare ('Marthe') in soil. In: Scientific Reports. Band 10, Nr. 1, 25. September 2020, S. 15776, doi:10.1038/s41598-020-72140-1, PMID 32978408, PMC 7519116 (freier Volltext). 
21. ↑ Diana Heuermann, Heike Hahn, Nicolaus von Wirén: Seed Yield and Nitrogen Efficiency in Oilseed Rape After Ammonium Nitrate or Urea Fertilization. In: Frontiers in Plant Science. Band 11, 2020, S. 608785, doi:10.3389/fpls.2020.608785, PMID 33584751, PMC 7874180 (freier Volltext). 
22. ↑ Baobao Pan, Shu Kee Lam, Arvin Mosier, Yiqi Luo, Deli Chen: Ammonia volatilization from synthetic fertilizers and its mitigation strategies: A global synthesis. In: Agriculture, Ecosystems & Environment. Band 232, September 2016, S. 283–289, doi:10.1016/j.agee.2016.08.019. 
23. ↑ Wolfgang Gerok, Christoph Huber, Thomas Meinertz, Henning Zeidler (Hrsg.): Die innere Medizin: Referenzwerk für den Facharzt. 11. Auflage. Schattauer Verlag, 2006, ISBN 3-7945-2222-2, S. 789
24. ↑ Marshall L. Stoller, Maxwell V. Meng: Urinary stone disease: the practical guide to medical and surgical management. Humana Press, 2007, ISBN 1-58829-219-3, S. 316 ff.