FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR ORGANISCHE ELEKTRONIK, ELEKTRONENSTRAHL- UND PLASMATECHNIK FEP

ELEKTRONENBEHANDLUNG VON SAATGUT

UMWELTFREUNDLICH, EFFIZIENT, NACHHALTIG

2

1

UMWELTFREUNDLICH, EFFIZIENT UND FLEXIBEL

Die Behandlung von Saatgut mit beschleunigten Elektronen ist

ein modernes, umweltfreundliches Verfahren, das ganz ohne

chemische Wirkstoffe auskommt. Krankheitserreger werden

effektiv und vollständig abgetötet, ohne dass Endosperm und

Embryo im Saatkorn angetastet werden.

Das Verfahren wird als umwelt- und anwenderfreundliche

Alternative zur chemischen Beize angeboten, ist DLG prämiert

und wurde von der »Biologischen Bundesanstalt [1]« als

»alternative Methode zur chemischen Beizung« bezeichnet.

Die Nutzung dieser modernen Technologie ist praktizierter

Umwelt- und Anwenderschutz auf höchstem Niveau, die auch

für den Öko-Landbau geeignet und zugelassen ist.

Die Elektronenbehandlung wirkt gegen alle Pathogene, die

sich in und auf der Schale befinden. So werden nicht nur

samenbürtige Pathogene abgetötet, sondern es findet mit

der Unterbrechung der Infektionskette durch die Abtötung

schädlicher Mikroorganismen wie Bakterien (zum Beispiel:

Pseudomonas) und Viren auch ein nachhaltiger Schutz statt.

Da bei dem Verfahren keine Rückstände auf dem Saatgut

verbleiben, ist es für die Kombination mit biologischen

Pflanzenstärkungsmitteln besonders geeignet.

ELEKTRONENBEHANDLUNG

Getreidesaatgut Weizen, Gerste, Triticale, Roggen, Hafer

Gemüsesamen Basilikum, Bohne, Erbse, Feldsalat, Knoblauch, Kohl, Lauch, Möhre, Paprika, Petersilien,

Rauke, Salat, Tomate, Zwiebel

Gewürze Anis, Chili, Pfeffer, Majoran

Sonstige Saaten Mais, Gräser, Blumensamen, Raps, Mohn, Saatkartoffeln

Vielfältigkeit

Das qualitativ hochwertige Verfahren tötet Pathogene aller Art im Wirkbereich unter anderem auf folgenden Produkten:

[1] Heutige Bezeichnung: Julius-Kühn-Institut

2

Technologie im Detail

Die Elektronenbehandlung von Saatgut basiert auf der

bioziden Wirkung von niederenergetischen Elektronen.

Die Erzeugung der beschleunigten Elektronen erfolgt nach

dem Prinzip der Braun´schen Röhre. Beim Anlegen hoher

elektrischer Spannungen zwischen Katode und Anode

emittieren Elektronen aus der Kathode und werden durch

den Ladungsunterschied in Richtung Elektronenaustritts-

fenster beschleunigt. Dieses trennt das Vakuum in dem die

Elektronen erzeugt werden vom Prozessraum ab, in dem

Umgebungsdruck herrscht (Abb. 1).

Für die Behandlung von Saatgut sind die applizierte Dosis,

die über die Stromstärke eingestellt wird und die Elektronen-

energie, die über die Beschleunigungsspannung einstellbar

ist, von Bedeutung. Die Dosis ist jene Elektronenenergie,

die in der Samenschale absorbiert wird. Bei der Elektro-

nenbehandlung von Saatgut ist die lethale Dosis für die

Bekämpfung der vorhandenen Pathogene entscheidend.

Die Elektronenenergie ist ein Maß für die kinetische

Bewegungsfähigkeit von Elektronen. Beim Durchdringen

von Materie verlieren die Elektronen diese Energie durch

Stoßvorgänge wieder. Ist die Energie aufgebraucht,

erfolgt kein weiteres Eindringen in das Material. Diese

Tatsache wird genutzt, um den Wirkungsbereich bei der

Elektronenbehandlung präzise zu steuern (Abb. 4). Auf die

vereinzelten Samenkörner kann mit dem Verfahren allseitig

eine gleichmäßige Dosis (Abb. 2) aufgebracht werden, die

nur so tief in der Schale wirkt, dass ein Einfluss auf den

Embryo und das Endosperm nachweislich ausgeschlossen

werden kann (Abb. 3). Treffen die energiereichen Elektronen

WIRKPRINZIP DER ELEKTRONENBEHANDLUNG

im Wirkbereich auf Schadorganismen, werden diese effektiv

abgetötet.

Eine Aufspaltung von Molekülketten bei Mikroorganismen

garantiert eine vollständige Abtötung dieser Pathogene, un-

abhängig von deren Art. Das Verfahren wirkt, wie in vielen

Labor- und Praxisversuchen nachgewiesen, effektiv gegen

verschiedenste Pilzsporen, Bakterien und Viren. Gleichzeitig

ist durch die rein physikalische Wirkung des Verfahrens eine

Bildung von resistenten Pathogenen, die bei chemisch-syste-

mischen Wirkstoffen möglich ist, ausgeschlossen.

21 3

Elektronen SamenschaleSaatgutstrom

Elektronen- generatoren

Embryo

4 Dosisverteilung

100 %

80 %

60 %

40 %

20 %

0 %Perikarp und Testa

3

Vorteile für Anwender, Produzent und Umwelt

• Vollständiger Verzicht auf den Einsatz chemischer Wirkstoffe

ohne Verlust der biologischen Wirksamkeit und ohne

Ertragseinbußen

• Ausgezeichnete Wirkung gegen samenbürtige Pathogene

ohne Resistenzbildung

• keine Umweltgefährdung durch chemisch-synthetische

Wirkstoffe und Formulierungsmittel

• Anwenderfreundlich da keine Beizstäube, Dämpfe oder

Lösungen freigesetzt werden

• Kontengünstig im Betrieb

• Schnellerer Feldaufgang

• Deutlich bessere Lagerfähigkeit

• Abfallfreie Technologie

• Zugelassen für den ökologischen Landbau

VORTEILE

Ein Auszug aus dem Wirkungsspektrum

• Weizensteinbrand – Tilletia caries

• Roggenstängelbrand – Urocytis occulta

• Blatt- und Spelzenbräune – Septoria nodorum

• Schneeschimmel – Microdochium nivale

• Streifenkrankheit – Drechslera graminea

• Blattdürre – Septoria spp.

• Schwärzepilze – Alternaria spp.

• Grauschimmelfäule – Botrytis aclada

• Fusariosen

• Bakteriose – Pseudomonas spp.

• Bakteriose – Xanthomonas spp.

4

PASSENDE SYSTEME FÜR JEDE ANWENDUNGENTWICKLUNGSKOMPETENZ MADE BY FRAUNHOFER

Versuchsanlage

Die universell einsetzbare Versuchsanlage REAMODE kann für

die diskontinuierliche Elektronenbehandlung von geringen

Mengen Saatgut jeder Art genutzt werden. Speziell ange-

passte Produktführungssysteme und Verpackungslösungen

garantieren eine allseitige Elektronenbehandlung der Proben

unter einem einzelnen Flächenstrahler.

Die Behandlung von neuen Saatgutarten und -sorten kann da-

bei vor Ort auch analytisch begleitet werden. Mikroskope zur

Messungen der Schalendicke, verschiedene Dosimetriesysteme

zur Auslegung der Eindringtiefe, ein Elektronenspinreso-

nanz-Messgerät zur Untersuchung verschiedener Saatguttie-

fen auf freie Elektronenpaare zur Kontrolle der Eindringtiefe

und Klimakammern für Keimversuche stehen vor Ort zur

Verfügung. Diese Kontrollsysteme dienen der Bewertung

des Verfahrenserfolges und zugleich als Grundlage für ein

nachfolgendes Scale-Up in Pilot- oder Produktionsmaßstab.

Pro

du

ktid

ee d

es K

un

den

Mac

hb

arke

itse

rpro

bu

ng

Sch

lüss

elko

mp

on

ente

n

Pilo

tpro

du

ktio

n

Tech

no

log

ietr

ansf

er

Pro

du

ktio

nsa

nla

ge

Pro

du

kt d

es K

un

den

Durchsatz: max. 30 t / h

Korngrößen: 0,5 … 2,0 cm

Behandlungstiefe: 20 … 200 μm

Behandlungskosten: 0,03 – 0,06 ct/kg

Durchsatz: max. 1 000 Körner / Stunde

Produktgröße: 0,1 … 10 cm

Behandlungstiefe: 10 … 170 μm

Produktionsanlage

Seit über 10 Jahren wird das vom Fraunhofer FEP entwickelte

Anlagensystem zur Elektronenbehandlung von Saatgut bereits

zur Saatgutproduktion eingesetzt. Die Firmen BayWa AG und

Nordkorn Saaten GmbH produzieren Elektronen-behandeltes

Saatgut mit dieser Anlage und vertreiben es seit 2012 unter

der Marke E-PURA®. Seit 2011 werden über 10.000 t Getrei-

desaatgut pro Jahr E-PURA®-behandelt – Tendenz steigend.

5

UNABHÄNGIGE KONTROLLE DER ERGEBNISSE

Keimfähigkeitsversuche

Zur Überprüfung des Keimungsverhaltens und damit der

Vitalität von Samen können an unabhängigen Instituten und

Prüfstellen Keimtests durchgeführt werden. Dazu wird für die

verschiedenen Arten und Sorten entsprechend der ISTA-Regeln

verfahren. So können Samen nach entsprechenden Behand-

lungsverfahren nicht nur routinemäßig sondern auch in einem

wissenschaftlichen Design untersucht werden.

Gewächshaustests

In Ergänzung zu Keimungsversuchen oder auch als eigen-

ständige Untersuchung können am Institut für Allgemeine

Ökologie und Umweltschutz der Technischen Universität

Dresden Gefäßversuche unter kontrollierten Umweltbedingun-

gen in Kleingewächshäusern durchgeführt werden. Sowohl

atmosphärische Parameter können eingestellt werden, die es

zum Beispiel ermöglichen verschiedene Ozonkonzentrationen

zu realisieren als auch bodenspezifische Parameter wie zum

Beispiel die Bodenfeuchte. Dies kann unter anderem dazu

genutzt werden, die Fertilität von Pflanzen aus zum Beispiel

mit Elektronen-behandelten Samen zu überprüfen.

Feldtests

Der Nachweis der Eignung der behandelten Saatgüter

für den Praxiseinsatz erfolgt bei Exaktversuchen und groß

angelegten Feldtests. Landwirte mit langjähriger Erfahrung im

konventionellen und ökologischen Landbau aus verschiedenen

Regionen Deutschlands sowie professionelle Versuchsanstalten

unterstützen das Fraunhofer FEP bei der Untersuchung von

Keimfähigkeit, Ertrag, Feldaufgang und der Bestandesentwick-

lung.

Untersuchung des Pathogenbefalls

Die Untersuchung von Saatgutproben auf Befall mit Bakterien,

Viren und Mikropilzen erfolgt unter anderem durch staatliche

Forschungsstellen, wie das Julius-Kühn-Institut. Hier ist neben

der Auswertung der Keimbelastung nach der Behandlung

durch laboranalytische Untersuchungen auch die gezielte

Inokulation von Saatgut mit Pathogenen möglich.

Für schnelle Vor-Ort-Untersuchungen verfügt das Fraunhofer

FEP auch über eine eigene zell- und mikrobiologische

Laboreinheit. Damit besteht die Möglichkeit den pathogenen

Befall direkt vor Ort zu bestimmen, in dem unter anderem

Gesamt- und Lebendzellzahlen ermittelt werden.

Für die Untersuchung von Keimfähigkeit und Keimungsrate, sowie für die Inokulation von Saatgut mit Pathogenen und die

Untersuchung der pathogenen Belastung sind unabhängige, kompetente Partner vorhanden.

6

7

8

S A A T G U T B E H A N D L U N G U M W E L T F R E U N D L I C H

Kultur Erreger Wirkung

Winterweizen Tilletia caries (Weizensteinbrand)

Septoria nodorum (Blatt- und Spelzenbräune)

Fusarim spp. (Schimmelpilze)

Microdochium nivale (Schneeschimmel)

Septoria spp. (Blattflecken)

sehr gut

gut

gut

mittel bis gut

gut bis sehr gut

Wintergerste Drechslera graminea (Streifenkrankheit) gut

Sommergerste Drechslera graminea (Streifenkrankheit) gut

Winterroggen Urocystis occulta (Stängelbrand)

Fusarium spp. (Schimmelpilze)

sehr gut

gut

Triticale Fusarim spp. (Schimmelpilze)

Microdochium nivale (Schneeschimmel)

gut

mittel bis gut

WIRKUNGSSPEKTRUM

Kultur Erreger Wirkung

Kümmel Alternaria spp. sehr gut

Fenchel Alternaria spp. sehr gut

Koriander Pseudomonas spp. sehr gut

Anis Alternaria spp. sehr gut

Getreide

Gewürze

9

Kultur Erreger Wirkung

Petersilie Alternaria spp.

Septoria spp.

Alternaria spp.

sehr gut

mittel

sehr gut

Möhre Xanthomnas spp.

Alternaria spp.

Phoma spp.

sehr gut

sehr gut

sehr gut

Kohl Xanthomnas spp. gut

Feldsalat Phoma spp. sehr gut

Bohne Pseudomonas spp. sehr gut

Sellerie Septoria spp. mittel

Zwiebel Alternaria spp.

Xanthomnas spp.

sehr gut

sehr gut

Gemüse

10

S A A T G U T B E H A N D L U N G U M W E L T F R E U N D L I C H

Untersuchungen der Biologischen Bundesanstalt für Land- und Forstwirtschaft zum Feldaufgang und zum Korn- ertrag bei Winterweizen relativ zur chemischen Beizung (1989 – 2002, danach Eigenforschung Fraunhofer FEP)

VERSUCHSERGEBNISSEERTRAGSPHYSIOLOGISCHER UND WIRTSCHAFTLICHER ERFOLG IN ZAHLEN

110 %

105 %

100 %

95 %

90 %

Chemische Behandlung = 100 %

Kornertrag Feldaufgang

1999

2011

2000

2012

1989

2001

1990

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

1997

2009

1998

2010

11

0

4.000.000

8.000.000

12.000.000

16.000.000

ElektronenbehandlungUnbehandelte Kontrolle

cfu

/g

Gesamtkeimgehalt durch Bakterienbelastung auf Saatkartoffeln

0 %

20 %

40 %

60 %

80 %

100 %

ElektronenbehandlungUnbehandelte Kontrolle

KeimfähigkeitErstzählung

Keimfähigkeit und Triebkraft von elektronenbehandelten Möhrensamen

ERTRAGSPHYSIOLOGISCHER UND WIRTSCHAFTLICHER ERFOLG IN ZAHLEN

0 %

20 %

40 %

60 %

80 %

100 %

ElektronenbehandlungUnbehandelte Kontrolle

Tag 14Tag 12Tag 8Tag 5

Zeitaufgelöste Keimungsrate von elektronenbehandelten Tomatensamen

60 %

65 %

70 %

75 %

80 %

85 %

90 %

ElektronenbehandlungUnbehandelte Kontrolle

TriebkraftKeimfähigkeit

Keimfähigkeit und Triebkraft von elektronenbehandelten Koriandersamen

100 %

80 %

60 %

40 %

20 %

0 %

16.000.000

12.000.000

8.000.000

4.000.000

0

100 %

80 %

60 %

40 %

20 %

0 %

90 %

85 %

80 %

75 %

70 %

65 %

60 %

cfu/g

Unbehandelte Kontrolle

Unbehandelte Kontrolle Unbehandelte Kontrolle

Unbehandelte Kontrolle

Erstzählung Keimfähigkeit

KeimfähigkeitTag 5 Tag 8 Tag 12 Tag 14 Triebkraft

Elektronenbehandlung

Elektronenbehandlung Elektronenbehandlung

Elektronenbehandlung

12

S A A T G U T B E H A N D L U N G U M W E L T F R E U N D L I C H

KONTAKT

Bei Abdruck ist die Einwilligung der Redaktion erforderlich.

© Fraunhofer FEP, Dresden, Germany – 01 / 15

WIR UND UNSERE PARTNER BIETEN IHNEN

TRETEN SIE MIT UNS IN VERBINDUNG

• Machbarkeitsstudien für die Behandlung aller Arten an Getreide- und Feinsämereisamen

• Entwicklung, Bau und Inbetriebnahme von kundenspezifischen Anlagen zur Samenbehandlung

• Kundenservice für die Elektronensaatgutbehandlung

• Parametrierung von Elektronenbehandlungssystemen auf Basis von Laborversuchen

• Inokulation mit Zielkeimen und Laboruntersuchungen auf Keimbelastung

• Keimfähigkeitsuntersuchungen in Klimakammern und Gewächshäusern

• Machbarkeitsstudien zur Adaption der Systeme für die Behandlung von Futtermitteln, Pharmaka und weiterer granularer

Produkte, wie Polymeren und Feinchemie

KOMPETENZ UND ANGEBOT

Abbildungsnachweis

Fraunhofer FEP, Getreide AG / Nordkorn Saaten GmbH,

iStockphoto/fhgfep

Fraunhofer-Institut für

Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP

Winterbergstr. 28

01277 Dresden

Telefon +49 351 2586-0

Fax +49 351 2586-105

www.fep.fraunhofer.de

Ansprechpartner

André Weidauer

Telefon +49 351 2586-164

www.fep.fraunhofer.de | www.e-saatgut.de

13

© F R A U N H O F E R F E P – 2 . 4 – F 0 9

Wir setzen auf Qualität

und die ISO 9001.