Schweine, Geflügel... und die Umweltbelastung durch Phosphat

Während keimende Samen über einen Mechanismus verfügen, um die für das Wachstum des Sämlings benötigten sechs Phosphatreste aus dem Speichermolekül Phytinsäure freizusetzen, weisen Schweine, Geflügel und andere Nichtwiederkäuer kein derartiges Verdauungsenzym auf. Das bedeutet, dass die in der Nahrung bzw. im Futter enthaltene Phytinsäure den Verdauungstrakt unverändert passiert und wieder vollständig ausgeschieden wird. Zur Gewährleistung einer ausreichenden Phosphatzufuhr, und des dadurch bedingten gesunden Wachstums, sind Futtermittelhersteller und Landwirte auf entsprechende Zusätze bei Schweine- und Geflügelfutter angewiesen. Als phosphathaltige Futtermittelzusätze stehen mehrere Ausgangsstoffe zur Verfügung; allerdings wurde die Verwendung von Knochenmehl, das in der Vergangenheit als billige und wertvolle Phosphatquelle gedient hat, im Zuge der Massnahmen zur Kontrolle von BSE verboten.

Ein weiteres Problem stellt die Umweltbelastung durch den Phytinsäuregehalt des Wirtschaftsdüngers dar. Sowohl Schweine- als auch Geflügeldung enthalten hohe Konzentrationen an Phytinsäure, deren Abbau durch Bodenorganismen zur Freisetzung des gespeicherten Phosphats führt.
Dies trägt zwar ausgezeichnet zur Erhöhung der Bodenfruchtbarkeit bei. Gelangt jedoch übermässig viel Phosphat durch Auswaschung des Nährstoffs vom Land in Bäche und Ströme hat dieses erhöhte Nährstoffangebot eine Überreaktion von Algen und Wasserpflanzen zur Folge: sie vermehren sich derart, dass sie den gesamten im Wasser gelösten Sauerstoff verbrauchen – was sich verheerend auf die übrige Tier- und Pflanzenwelt im Wasser auswirkt.

Dies stellt Landwirte vor folgendes Problem: Wie lässt sich Phosphat im Getreide für die Tierernährung besser verfügbar machen und gleichzeitig der Phytinsäuregehalt des Schweine- und Geflügeldungs und damit auch die Umweltbelastung reduzieren?

Eine "Low-Technology"-Methode, die von manchen Schweinehaltern noch immer praktiziert wird, ist das Einweichen des Schweinefutters in Wasser vor der Fütterung. Dadurch kommt es zur Aktivierung des in Getreidekörnern natürlich vorkommenden Enzyms Phytase. Dieses Enzym setzt das Phosphat aus der Phytinsäure frei. Keimende Samen bedienen sich übrigens desselben Mechanismus – allerdings stellt die Enzymaktivierung durch Einweichen keine absolut zuverlässige Methode dar und ist im grossen Massstab auch nicht praktikabel. Deshalb gelangte man zu einer Reihe weiterer Lösungen .
Am gängigsten ist heute die Methode, dem Futter das Enzym Phytase beizumengen. Die Phosphatfreisetzung durch den Zusatz von Phytase fördert das gesunde Wachstum der Tiere und verringert gleichzeitig den Bedarf an kostspieligem Phosphat-Zusatz beim Futter. Darüber hinaus lassen sich Beeinträchtigungen der Umwelt ganz beträchtlich reduzieren
Der Bedarf an Phytase hat die Produktion des Enzyms, das in der Regel durch mikrobielle Fermentation gewonnen wird, weltweit zu einem Geschäftszweig werden lassen, der seit einigen Jahren sowohl in den USA als auch in Europa ein enormes Wachstum verzeichnet. Mit der Verfeinerung des Konzepts entstand die Nachfrage nach hitzebeständigen Phytasen, die auch die zur Herstellung von Futter-Schrotkorn erforderlichen Temperaturen aushalten.

Ein anderer Forschungszweig, der sich auf die heute zur Verfügung stehenden, hochmodernen biotechnologischen Methoden stützt, beschäftigt sich mit der Erhöhung des getreideeigenen Phytasegehaltes: zur Futtermittelherstellung bestimmte Getreidesorten sollen dabei mit einem wirksameren, "eingebauten" Phosphat-Freisetzungsmechanismus versehen werden. In diversen Forschungsstudien konnte gezeigt werden, dass sich dies sowohl auf die Qualität der Tierernährung als auch auf die Verringerung der Phosphatausscheidung positiv auswirken kann .

Alternativ hierzu wird in einem anderen Ansatz versucht, gleich zu Beginn der Kette den Phytinsäuregehalt im Getreidekorn zu reduzieren und so dem Umweltproblem durch Ursachenbekämpfung beizukommen. Dies ist jedoch mit zweierlei Problemen behaftet: Erstens sind die Landwirte gezwungen, den Futtermitteln mehr Phosphat zuzusetzen, um die fehlende Zufuhr aus dem Getreide zu kompensieren, und zweitens ist die Phytinsäure im Saatgut für die Keimung und das Wachstum unverzichtbar. Dies mag keine überraschende Feststellung sein, doch was es letztlich bedeutet, zeigen Maissorten-Versuche mit nur etwa 75 Prozent des normalen Phytinsäuregehalts: diese Maissorten weisen ein schlechtes Wachstum auf und liefern um fünf bis15 Prozent niedrigere Erträge. Ertragseinbussen dieser Grössenordnung sind ein zu hoher Preis für das angestrebte Ziel; solange dieses Problem nicht behoben ist, sind solche Sorten deshalb nicht marktreif.

Vor kurzem machte eine bahnbrechende Idee Schlagzeilen. Kanadische Wissenschaftler veränderten das Erbgut von Schweinen, so dass deren Speicheldrüsen selbst Phytase produzieren können. Die Speicheldrüsen des so genannten "Enviropig"™ verfügen über ein aktives Phytase-Gen aus einem nichtpathogenen Stamm des gemeinen Darmbakteriums Escherichia coli. In Versuchen konnte gezeigt werden, dass diese Schweine 75 Prozent weniger Phosphat ausscheiden als normale Kontrolltiere. Sie sind in der Lage, praktisch das ganze Phosphat aus dem Futter zu verwerten – für normales, gesundes Wachstum ist somit keine Phosphat-Anreicherung mehr erforderlich. Ob diese Forschungsergebnisse auch eine praktische Bedeutung für die Futtermittelherstellung haben werden, bleibt abzuwarten.

All diese Bemühungen um das Verständnis des Phosphatstoffwechsels von Nutztieren sind in ernährungsphysiologischer Hinsicht jedoch auch für den Menschen von Bedeutung. Aufgrund der vielen negativen Belastungen innerhalb des Phytinsäuremoleküls wissen wir, dass die sechs Phosphatgruppen sehr stark an diverse Metallionen binden (z.B. Kalium, Magnesium, Eisen und Zink). Es wird geschätzt, dass weltweit über 3,9 Millionen Tonnen Magnesium an die Phytinsäure in Kulturpflanzen gebunden sind! Diese Mineralstoffe sind aber – genauso wie das Phosphat – essenziell für ein normales Wachstum. Der durch Ausscheidung über den Darm verursachte Verlust an diesen wichtigen Mineralstoffen, die an die Phytinsäure gebunden sind, ist mit verantwortlich für die Mangelernährung der Menschen in der Dritten Welt. Diese so genannte "antinutrive" Eigenschaft der Phytinsäure gilt als eine der Ursachen für den Eisenmangel von über zwei Milliarden Menschen in den Entwicklungsländern. Insbesondere Schwangere haben ein erhöhtes Anämierisiko; doch kann eine ergänzende Eisenzufuhr unwirksam bleiben, weil das zusätzlich verabreichte Eisen im Verdauungstrakt ebenfalls an Phytinsäure gebunden wird. Sorgfältig angelegte Studien sollen nun klären, ob Technologien des Phosphat-Managements in den Industrieländern einen Beitrag zur Verbesserung der Ernährungslage in Entwicklungsländern leisten könnten. Der potenzielle Wert von Phytasezusätzen bei Getreide, das für die menschliche Ernährung bestimmt ist, wird derzeit ebenfalls untersucht, doch erweist sich hier die Hitzeempfindlichkeit des Enzyms als problematisch, denn viele Getreidesorten werden vor dem Verzehr gekocht. Natürlich stehen – wie oben bereits erwähnt – auch für dieses Problem Lösungen zur Verfügung.

Als einer der wichtigsten Phosphorspeicher der Welt besitzt das unscheinbare Phytinsäuremolekül eine recht grosse Bedeutung! Es liegt auf der Hand, dass dieser aufstrebende Bereich der Biowissenschaft ein vielversprechendes Potenzial sowohl für die Ernährung der Tiere wie auch der Menschen sowie nicht zuletzt für die Erhaltung unserer Umwelt birgt.

Möglichkeiten zur Verringerung des Phytinsäuregehalts in Schweine- und Geflügeldung:

1. Einweichen des Futtermittels in Wasser zur Aktivierung der natürlich enthaltenen Phytasen
2. Das im Futtermittel enthaltene Phosphat durch Zusatz des Enzyms Phytase zugänglich machen
3. Herstellung von Getreidesorten, deren Körner mehr Phytase bilden und eine raschere Verdauung der Phytinsäure ermöglichen
4. Züchtung von Getreidesorten mit einem geringeren Phytinsäuregehalt für die Futtermittelherstellung
5. Züchtung von Nutztieren mit körpereigener Phytaseproduktion

November 2003