03/03/2026
Ein alarmierender Rückgang der Nährstoffqualität von Lebensmitteln: Die größte Herausforderung für die Gesundheit zukünftiger Generationen
PMCID: PMC10969708 PMID: 38540869
Teil 1:
Zusammenfassung
In den letzten sechzig Jahren ist ein alarmierender Rückgang der Lebensmittelqualität und ein Rückgang zahlreicher ernährungsphysiologisch wichtiger Mineralstoffe und Nährstoffe in Obst, Gemüse und Nutzpflanzen zu verzeichnen. Als mögliche Ursachen für diesen Rückgang wurden weltweit eine unkontrollierte Mineralstoffdüngung, die Bevorzugung nährstoffärmerer Sorten, der Einsatz ertragreicher Sorten sowie agronomische Probleme im Zusammenhang mit dem Übergang von naturnaher zu konventioneller Landwirtschaft identifiziert. Auch der Anstieg des atmosphärischen oder künstlich erhöhten Kohlendioxids trägt möglicherweise zu den erheblichen Einbußen bei der Nährstoffqualität von Obst, Gemüse und Nutzpflanzen bei.
Nährstoffreiche Nutzpflanzen wie Hirse, Obst und Gemüse werden seit der Antike weit verbreitet angebaut und zählen zu den wichtigsten Grundnahrungsmitteln. Die Anbaufläche dieser Pflanzen ist jedoch in den letzten Jahrzehnten stetig und nach der Grünen Revolution besonders stark zurückgegangen, da sie gegenüber wichtigen Agrarprodukten wie ertragreichen Sorten von Kartoffeln, Tomaten, Mais, Weizen und Reis wirtschaftlich weniger wettbewerbsfähig sind. In unterentwickelten Ländern und Entwicklungsländern ist der Großteil der Bevölkerung immungeschwächt, schwer mangelernährt und leidet aufgrund unzureichender Ernährung und nährstoffarmer Lebensmittel unter multiplen Nährstoffmängeln. Dies ist auf mangelndes Wissen über die Bedeutung traditioneller, nährstoffreicher Ernährung und umweltfreundlicher, ökologischer Anbaumethoden zurückzuführen. Diese kritische Übersicht unterstreicht die Wichtigkeit einer ausgewogenen und adäquaten Ernährung sowie die Notwendigkeit, die Bodenbiodiversität und -fruchtbarkeit zu verbessern: Dies sind die Hauptursachen für den Rückgang der Nährstoffdichte. Zudem werden mögliche Lösungsansätze aufgezeigt, um den Rückgang der Nährstoffdichte von Nutzpflanzen zum Wohle zukünftiger Generationen zu verringern.
1. Einleitung
Weltweit leiden mehr als zwei Milliarden Menschen an Mikronährstoffmangel, insbesondere an Jod, Eisen, Folsäure, Vitamin A und Zink [ 1 , 2 , 3 ]. Dieser ist die Hauptursache für vorzeitige Todesfälle, Erkrankungen und Entwicklungsverzögerungen bei Kindern [ 4 ]. Im Jahr 2017 waren 11 Millionen Todesfälle und 255 Millionen verlorene Lebensjahre (DALYs) auf Mangelernährung zurückzuführen [ 5 ]. Seit den 1940er Jahren haben sich Ernteerträge und die Nahrungsmittelverfügbarkeit pro Kopf aufgrund intensiver Anbaumethoden, künstlicher Düngung, Pestiziden, Bewässerung, dem Anbau ertragreicher Sorten und anderer umweltbedingter Maßnahmen kontinuierlich erhöht. Gleichzeitig nimmt die Mangelernährung stetig zu, da das empfindliche Gleichgewicht des Bodenlebens gestört und die Nährstoffdichte und -qualität der Nutzpflanzen verringert wird.
Derzeit sind viele Menschen zwar überernährt, aber aufgrund nährstoffarmer Ernährung unterernährt [ 6 , 7 ]. Es ist sehr schwierig, die gleiche Nährstoffkonzentration wie vor der Zeit der Grünen Revolution aus den gewohnten Lebensmitteln zu gewinnen. Wichtige, ertragreiche Obstsorten wie Äpfel, Orangen, Mangos, Guaven und Bananen sowie Gemüsesorten wie Tomaten und Kartoffeln haben in den letzten 50 bis 70 Jahren aufgrund von Umweltfaktoren, genetischen Einflüssen und Bodenverdünnung 25–50 % oder mehr ihrer Nährstoffdichte verloren [ 8 ]. Mayer et al. [ 9 ] berichteten, dass die Gehalte der folgenden Elemente mit Ausnahme von Phosphor in den letzten achtzig Jahren (1940 bis 2019) zurückgegangen sind: Natrium (52 %), Eisen (50 %), Kupfer (49 %) und Magnesium (10 %).
Der Hauptgrund für die Unterschiede scheint darin zu liegen, dass im Laufe der Jahrzehnte neue Sorten von Nutzpflanzen eingeführt wurden, die zwar höhere Erträge, schnelleres Wachstum sowie Schädlings- und Krankheitsresistenz aufweisen, aber gleichzeitig einen geringeren Nährstoffgehalt besitzen. Sinkende Nährstoffkonzentrationen in Lebensmitteln sind daher besonders schädlich für die Gesundheit zukünftiger Generationen. Aus diesem Grund konzentriert sich die Studie vor allem auf die Erforschung optimaler Managementstrategien, die dem Rückgang der Nährstoffqualität von Lebensmitteln entgegenwirken und so die nachhaltige Gesundheit unserer Umwelt sichern können. Der vermehrte Verzehr nährstoffreicher Nutzpflanzen ist ein wichtiger und möglicher Weg, den globalen Nährstoffmangel zu bekämpfen und die Nährstoffqualität dieser Lebensmittel zu optimieren. Es besteht ein allgemein anerkannter Bedarf an einer besseren Nährstoffqualität von Lebensmitteln. Studien bestätigen, dass der vielversprechendste Weg dorthin ein zweigleisiger Ansatz ist: die Verbesserung von Lebensmittelsystemen und die Berücksichtigung von Gesundheits- und Ernährungszielen [ 10].Zur Validierung der Studie wurden auch verschiedene weltweit durchgeführte Untersuchungen berücksichtigt, die sich mit folgenden Themen befassten: Diversifizierung der Ernährung, Mikronährstoffsupplementierung [ 11 , 12 ], Verbesserung der Nährstoffqualität von Lebensmitteln, Biofortifizierung, Bodenfruchtbarkeitsmanagement, Pflanzenzüchtung [ 13 ], naturnaher Landbau, Wiederbelebung traditioneller Lebensmittel [ 14 ], Produktion nährstoffreicher, bisher wenig genutzter Obst- und Gemüsesorten [ 15 ], Anreicherung des Bodens mit nützlichen Mikroorganismen und Bodenbiodiversität [ 16 , 17 ]. Ziel dieser Studie war es, (i) den systematischen Rückgang der Nährstoffqualität von Nutzpflanzen zu untersuchen, (ii) die Ursachen für die abnehmende Nährstoffdichte zu ermitteln und (iii) die besten Managementstrategien zur Erhaltung der Nährstoffdichte in Lebensmitteln zu identifizieren bzw. die verfügbaren wissenschaftlichen Erkenntnisse zur Verbesserung der Nährstoffdichte und -qualität von Obst, Gemüse und Nutzpflanzen für die Ernährung zukünftiger Generationen zu nutzen.
2. Tendenz zur Nährstoffverarmung in Lebensmitteln
Die Nährstoffverarmung begann schon vor langer Zeit, doch nach 1900 nahm die Verdünnungsrate stetig und nach der Grünen Revolution exponentiell zu. Auf Grundlage verfügbarer Ernährungsdaten wurde festgestellt, dass die Nährstoffverdünnungsrate in den letzten 70–80 Jahren lediglich bis zu 20 % betrug, während in den letzten 30–40 Jahren eine Verdünnung von 80 % stattfand. Zahlreiche Studien [ 18 , 19 , 20 , 21 ] in vielen Ländern belegen, dass die Nährstoffdichte und die Geschmacksqualität von Obst, Gemüse und Nutzpflanzen in den letzten 50–70 Jahren hinsichtlich Natrium (29 bis 49 %), Kalium (16 bis 19 %), Magnesium (16 bis 24 %), Kalzium (16 bis 46 %), Eisen (24 bis 27 %), Kupfer (20 bis 76 %) und Zink (27 bis 59 %) drastisch gesunken sind. Mayer [ 22 ] beobachtete von 1936 bis 1991 einen Rückgang der Nährstoffgehalte von zwanzig Gemüsesorten, darunter Kalzium (19%), Magnesium (35%) und Kupfer (81%), sowie einen Rückgang der Nährstoffgehalte von zwanzig Früchten, darunter Natrium (43%), Magnesium (11%), Eisen (32%), Kupfer (36%) und Kalium (20%). Zahlreiche Wissenschaftler [ 23 ] stellten in den USA zwischen 1963 und 1992 einen signifikanten prozentualen Rückgang des Mineralstoffgehalts von dreizehn Obst- und Gemüsesorten fest, darunter Kalzium (29 %), Magnesium (21 %), Kalium (6 %), Phosphor (11 %) und Eisen (32 %).
Auch in Großbritannien sanken die Mineralstoffgehalte von zwanzig Obst- und Gemüsesorten in den letzten 51 Jahren (1936 bis 1987): Kalzium (19 %), Magnesium (35 %), Natrium (43 %), Kalium (14 %), Phosphor (6 %), Eisen (22 %) und Kupfer (81 %). Thomas [ 18 ] berichtete von drastischen Verlusten an Kupfer (76 %) und Zink (59 %) in verschiedenen Gemüsesorten zwischen 1940 und 1991 bzw. 1978 und 1991. Ähnliche Ergebnisse erzielten Alae-Carew et al. [ 24 ] berichteten von einer um 50 % geringeren Wasserverfügbarkeit und dass die Verwendung von Salzwasser (3–4 dS m−1) den Ertrag und die Nährstoffqualität von Früchten deutlich reduziert. Ebenso zeigten die Untersuchungen in [ 7 , 22 ] einen kontinuierlichen Rückgang des Gehalts an Protein (6 %), Kalzium (16 %), Phosphor (9 %), Eisen (15 %), Vitamin A (18 %), Riboflavin (38 %) und Vitamin C (15 %) in 43 verschiedenen Obst- und Gemüsesorten im Laufe des letzten halben Jahrhunderts. Jack [ 25 ]] berichteten von einem Rückgang der Nährstoffe wie Kalzium (26,5 %), Eisen (36,1 %), Vitamin A (21,4 %) und Vitamin C (29,9 %) in Gemüsesorten im Zeitraum von 1975 bis 1997. Verschiedene Gemüsesorten verloren einen größeren Teil ihres Eisens, darunter Blumenkohl (60 %), Grünkohl (81 %), Senfgrün (51,3 %), Zwiebeln (56 %) und Brunnenkresse (88,2 %), sowie Vitamin A in Brokkoli (38,3 %), Blumenkohl (68,3 %), Grünkohl (41,2 %) und Petersilie (38,8 %). Im Zeitraum von 1975 bis 2001 wurde ein starker Rückgang des Kalziumgehalts beobachtet: 57,4 Prozent in Zitronen, 58,8 Prozent in Ananas und 65 Prozent in Mandarinen.
Die Autoren stellten anhand verfügbarer Nährwertdaten außerdem fest, dass der Phosphorgehalt in verschiedenen Früchten wie Äpfeln (30 %), Bananen (52,4 %), Orangen (30 %), Pfirsichen (36,8 %) und Mandarinen (44,4 %) sank; der Eisengehalt verringerte sich in Bananen (55,7 %), Grapefruits (85 %), Orangen (75 %), Pfirsichen (78 %), Erdbeeren (62 %), Mandarinen (75 %) und Wassermelonen (66 %). Bananen (57,4 %), Grapefruits (87,5 %), Pfirsiche (59,8 %), Ananas (55 %), Erdbeeren (67,1 %), Äpfel (41,1 %) und Wassermelonen (38 %) verloren Vitamin A. Ficco et al. [ 26 ] beobachteten einen Rückgang des Magnesiumgehalts in Früchten um 7 bis 25 Prozent und in Gemüse um 15 bis 35 Prozent. Bruggraber et al. [ 27 ] stellten einen signifikanten Rückgang des Eisengehalts in Früchten um 0,35 mg pro 100 g ( −95 %) zwischen den 1930er und 1980er Jahren fest. Der scheinbare Rückgang des Kupfergehalts um −34 bis −81 Prozent deutet auf geringfügige absolute Veränderungen hin, da der natürliche Kupfergehalt von 100 g Trockengemüse in einem enormen Bereich von 0,11 bis 1,71 mg (1555 %) liegt. In Früchten schwankt der Kupfergehalt zwischen 0,10 und 2,06 mg (2060 %), in Getreide zwischen 0,1 und 1,4 mg (1400 %). Die Kupferverfügbarkeit ist zudem stark vom Nährstoffverdünnungseffekt abhängig [ 28 ]. Zwischen 1975 und 1997 wurde außerdem ein deutlicher Rückgang des Nährstoffgehalts in Obst und Gemüse beobachtet ( Tabelle 1 ).
3. Ursachen für die abnehmende Nährstoffdichte
Die Mineralstoffzusammensetzung von Obst, Gemüse und Nutzpflanzen hängt von der genetischen Ausstattung der Pflanzenarten, den klimatischen Bedingungen, der Bodenqualität (einschließlich der mikrobiellen Vielfalt), den Anbaumethoden und dem Reifegrad der Pflanzen zum Erntezeitpunkt ab [ 29 , 30 , 31 ]. Zu den Hauptursachen des Nährstoffrückgangs zählen die Bodendegradation, die Entwicklung neuer, ertragreicher Sorten, agronomische Faktoren im Zusammenhang mit der Kommerzialisierung der Landwirtschaft, der Einsatz synthetischer Düngemittel, Pestizide und Herbizide zur Steigerung der Nahrungsmittelproduktion, Verbesserungen in der Bewässerung und die Einführung kostengünstiger Technologien, die Einführung gentechnisch veränderter Lebensmittel, die zunehmende Luft- und Wasserverschmutzung, die globale Erwärmung, die Ausdünnung der Ozonschicht und die erhöhte CO₂- Konzentration [ 28 ]. Die globale Umweltkatastrophe, einschließlich der derzeitigen, einseitig auf Ernteerträge ausgerichteten Anbaumethoden, hat zu einem Rückgang der Nährstoffqualität von Nutzpflanzen gegenüber den Ausgangswerten geführt [ 32 ].
Moderne Anbaumethoden gehen mit einer Verschlechterung der Bodenqualität, einer geringeren mikrobiellen Vielfalt im Boden, einer erhöhten Bodenwasserbelastung und einer Verarmung des Bodens an Nährstoffen einher [ 33 , 34 , 35 ]. Es gibt Hinweise darauf, dass die Bodenqualität, die Art und Menge der zugeführten Nährstoffe sowie das Anbausystem den Ertrag und die phytochemische und ernährungsphysiologische Zusammensetzung der Erzeugnisse beeinflussen [ 36 ]. Hinzu kommt, dass steigende Lufttemperaturen und erhöhte Sonneneinstrahlung zu höheren Bodentemperaturen führen können, was wiederum eine gesteigerte mikrobielle Aktivität, eine höhere Bodenatmung und potenziell eine eingeschränkte Nährstoffverfügbarkeit im Boden zur Folge haben kann. Die folgenden wichtigen Faktoren tragen zur sinkenden Nährstoffdichte moderner Lebensmittel bei.
3.1. Veränderung der Lebensmittelzusammensetzung
Vor dem Aufkommen der Grünen Revolution und der Industrialisierung bestanden die herkömmlichen Nahrungsmittel hauptsächlich aus natürlich gewachsenen und kultivierten Hirsearten wie Perlhirse ( Pennisetum glaucum L.), Mais ( Zea mays L.) und Sorghum ( Sorghum bicolor L.); Nebenhirsearten wie Fingerhirse ( Eleusine coracana L.), Rispenhirse ( Panicum miliaceum L.), Kolbenhirse ( Setaria italica L.), Kodo-Hirse ( Paspalum scrobiculatum L.), Zwerghirse ( Panicum sumatrense L.) und Hühnerhirse ( Echinochloa frumentacea L.); Traditionelle Früchte und Gemüse, zum Beispiel wilde Dattelpalme ( Phoenix sylvestris L.), Sitaphal ( Annona squamosa L.), Ber ( Ziziphus sp.), Khirani ( Manilkara hexandra ), Jamun ( Syzygium cumini ), Pilu ( Salvadora persica ), Ker ( Capparis decidua ), Lasoda ( Cordia dichotoma ), Dattelpalme ( Phoenix dactylifera L.), Tamarinde ( Tamarindus indica L.), Buschbohne ( Cyamopsis tetragonoloba L.), Schnappmelone ( Cucumis melo momordica ), Kachri ( Cucumis calosus ) und Blattgemüse; Grundnahrungsmittel wie Süßkartoffeln ( Ipomoea batatas ); und Getreide wie Bohnen und Gerste ( Hordeum vulgare ), die voller Mineralien, Vitamine und gesundheitsfördernder Substanzen wie Phenole und Antioxidantien sind. Im Laufe der Zeit wurden einige Lebensmittel populär, während andere aufgrund ihres Geschmacks, ihrer Konsistenz und ihres Aussehens unbeliebt blieben.
Heutzutage konsumiert die breite Bevölkerung vermehrt nährstoffarmes Fast Food sowie verpackte und importierte Fertigprodukte. Der Konsum ungesunder Fertigprodukte nimmt zu, während traditionelle Ernährungsweisen vernachlässigt werden [ 37 ]. Zahlreiche nährstoffreiche Nutzpflanzen, die früher fester Bestandteil der Familienernährung waren, werden zunehmend durch weniger nährstoffreiche, moderne Getreidearten wie Weizen, Reis und Mais ersetzt [ 38 ]. Traditionelles Obst und Gemüse ist modernen Sorten hinsichtlich Protein, Mineralstoffen (Eisen, Zink, Kalzium, Magnesium, Phosphor und Kalium), Ballaststoffen und B-Vitaminen (Niacin, Vitamin B6 und Folsäure) deutlich überlegen und reich an gesundheitsfördernden sekundären Pflanzenstoffen wie Polyphenolen, Lignanen, Phytosterolen, Phytoöstrogenen und Phycocyaninen [ 14 , 39] .Hirse, Sorghum und andere Hirsearten weisen einen höheren Gehalt an Mikronährstoffen wie Kalzium, Eisen, Zink, Riboflavin und Folsäure auf als Reis, Weizen und Mais [ 38 ], die in der modernen Ernährung fast völlig verschwunden sind. In Rajasthan (Indien) bestand die durchschnittliche tägliche Ernährung vor 1960 aus 13 % Hirsearten, 13,2 % Sorghum, 19,3 % Hirse, 36,5 % Mais, 4,5 % Gerste, 1 % Weizen, 5,5 % Hülsenfrüchten, 3 % Fleisch, 1,5 % Milchprodukten, 0,5 % Zucker und Öl sowie 5,5 % wenig genutzten Obst- und Gemüsesorten.
Reis und modernes Obst wurden nicht konsumiert, Weizen hingegen nur selten, etwa zu Festen oder bei Besuch von Gästen [ 40 ]. Nach den 1980er Jahren kam es zu einem drastischen Anstieg des Konsums von Weizen, Reis und Kartoffeln sowie zu leichten Zuwächsen beim Konsum von Fleisch, Milchprodukten, Zucker, Öl und modernem Obst. Ähnlich verhielt es sich in Indien in den 1970er Jahren: Statt Fleisch und Fleischprodukten wurden Vollkorngetreide, Hülsenfrüchte, Obst und Gemüse häufiger konsumiert [ 41 ]. Die Autoren stellten zudem signifikante Veränderungen in der Zusammensetzung der Nahrungsmittel und einen radikalen Anstieg des Weizenkonsums (5500 %) bei den Stammesangehörigen in Rajasthan in den letzten 60 Jahren fest ( Tabelle 2 ). Besonders problematisch an diesem Ernährungswandel ist die Substitution von Hirse durch sozial höherwertige und stärker verarbeitete Getreidearten. Die Ernährung wird dadurch weniger vielfältig, sichert zwar den Lebensunterhalt, deckt aber nicht den Nährstoffbedarf des Einzelnen und ist vor allem mit Mikronährstoffmangel verbunden [ 42 ]. Daher ist bekannt, dass Veränderungen im Konsum verschiedener Hirsearten, Obst- und Gemüsesorten in direktem Zusammenhang mit der Ernährungssituation der Bevölkerung stehen.
3.2. Anbau ertragreicher Sorten
In den letzten 60–70 Jahren konzentrierten sich Pflanzenzüchter und -physiologen auf die Steigerung der Ernteerträge durch moderne Pflanzengenetik und die Intensivierung landwirtschaftlicher Produktionssysteme. Dabei wurde die vernachlässigte Erhaltung der Nährstoffqualität, insbesondere des Mikronährstoffgehalts, in den Nutzpflanzen hervorgehoben, obwohl dieser für die Gesundheit der Umwelt essenziell ist. Moderne Obst-, Gemüse- und Nahrungspflanzensorten sind weniger nährstoffreich als die ertragreicheren Sorten, die vor 1960 angebaut wurden.
Zahlreiche Forscher beobachteten eine negative Korrelation zwischen Ertrag und Qualitätsmerkmalen von Lebensmitteln. Hohe Erträge in stickstoffreichen Anbausystemen führten zu einer signifikanten Verringerung des Gehalts an Mineralstoffen, Nutrazeutika, sensorischen Eigenschaften und dem charakteristischen Geschmack der Lebensmittel aufgrund des Verdünnungseffekts [ 28 , 43 ] und zu einem deutlich erhöhten Kohlenhydratgehalt [ 7 , 20 ]. Die Züchtung nach dem traditionellen Ertragskriterium kann zu einer Reduzierung des Nährwerts [ 44 , 45 ] und auch zu weniger wünschenswerten organoleptischen Eigenschaften führen [ 46 ]. Heutzutage werden die meisten Sorten auf höhere Produktivität und Rentabilität gezüchtet, wobei der Fokus auf dem Ertrag die Nährstoffqualität der Pflanzen weitgehend vernachlässigt [ 47 ]. Zu viel leicht verfügbarer Stickstoff, geringere Verfügbarkeit von Mikronährstoffen, regelmäßige Bewässerung und intensive Anbaumethoden haben die Mikronährstoffe im Boden erschöpft, was die Nährstoffdichte der Pflanzen deutlich verringert [ 48 , 49 ]. Bei vielen Gartenbaukulturen, darunter Kartoffeln, Tomaten, Kürbisgewächse, Himbeeren und Brokkoli, wurden signifikante Unterschiede im Mineralstoffgehalt zwischen verschiedenen Sorten beobachtet [ 21 , 44 , 50 ]. Traditionell angebaute Tomaten, Kürbisgewächse, Okra und Chili wiesen zwar extrem niedrige Erträge auf, besaßen aber eine höhere Nährstoffdichte, einen ausgeprägten Geschmack und besondere organoleptische Eigenschaften [ 14 ]. Marles [ 28 ] argumentiert überzeugend, dass jegliche geringfügige Nährstoffverdünnung durch Bewässerung und Düngung durch den höheren Ertrag kompensiert wird, wodurch mehr Menschen vom Produktionssystem profitieren können – allerdings nur zur Deckung des Nahrungsbedarfs und nicht zur Verbesserung der Nährstoffversorgung. Daher ist es von großer Bedeutung, die Nährstoffqualität von Lebensmitteln trotz Ertragssteigerungen zu erhalten, um den versteckten Hunger zu bekämpfen, ohne die Lebensmittelverfügbarkeit zu erhöhen.
3.3. Klimawandel und erhöhter Kohlendioxidgehalt ( eCO2 )
Die CO₂ -Konzentration in der Umwelt steigt weltweit: Der durchschnittliche Wert der atmosphärischen CO₂ - Konzentration lag 1960 bei 317 ppm und überschritt 2015 die Marke von 400 ppm. Der Anstieg auf 550 ppm bis etwa 2050 dürfte sich rasant beschleunigen [ 51 , 52 ] . Klimawandel und erhöhte atmosphärische Kohlendioxidkonzentrationen (eCO₂ ) beeinflussen die Verfügbarkeit und Menge von Nährstoffen wie Stickstoff, Phosphor, Kalium und Eisen im Boden [ 53 ], verringern die Nährstoffaufnahme durch Nutzpflanzen und reduzieren den Proteingehalt in Nutzpflanzen [ 42 , 53 , 54 , 55 , 56 , 57 ] sowie die Konzentration mineralischer Nährstoffe in Obst und Gemüse [ 49 , 56 , 58 ]. Seit 1850–1900 ist die Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre um etwa 50 Prozent gestiegen. Dies führt zwar zu einer erhöhten Photosynthese und einer gesteigerten Pflanzenbiomasseproduktion, verringert aber gleichzeitig den Nährstoffgehalt der Ernte [ 49 , 58 , 59 , 60 ]. Am häufigsten sind die verringerten Konzentrationen von Xanthophyllen, Carotinoiden [ 56 , 61 ], Folsäure, Eisen, Zink, Vitaminen, Proteinen, Mineralstoffen [ 1 , 42 , 49 , 59 , 62 , 63 , 64 , 65 ], Schwefel, Methionin, Cystein [ 66 ] und der essentiellen schwefelhaltigen Aminosäure Methionin [ 67 ] sowie der Zinkmangel, an dem etwa 30 Prozent der Weltbevölkerung leiden, auf die erhöhte atmosphärische CO₂-Konzentration zurückzuführen [ 68 ] . Sie werden jedoch auch durch die Immobilisierung von Stickstoff in vegetativen Geweben und im Boden [ 69 ] sowie durch die direkte Verringerung der Nitratassimilation durch erhöhte CO₂- Konzentrationen verursacht [ 70 ]. Die erhöhte CO₂- Konzentration in der Umwelt reduzierte die Gesamtmenge von 25 Mineralstoffen in Pflanzen, darunter Calcium, Kalium, Zink, Schwefel, Kupfer und Eisen ( Abbildung 1 ), um durchschnittlich 8 Prozent und erhöhte zudem das Verhältnis von Kohlenhydraten zu Mineralstoffen in Nutzpflanzen [ 49 ]. D**g et al. [ 63 ] beobachteten, dass eCO₂Die Konzentrationen von Nitrat, Protein und Magnesium sanken um bis zu 9,2 Prozent, die von Zink um 18,1 Prozent und die von Eisen in Blattgemüse (31 %), Fruchtgemüse (19,2 %) und Wurzelgemüse (8,2 %). Außerdem verringerte sich die gesamte antioxidative Kapazität in Obst und Gemüse [ 71 ].
3.4. Übermäßiger Einsatz von Agrochemikalien
In der Zeit vor der Grünen Revolution (vor den 1940er Jahren) wurden Nahrungspflanzen ökologisch angebaut. Nach den 1980er Jahren griffen die meisten Landwirte jedoch vermehrt auf Insektizide, Fungizide, Herbizide und chemische Düngemittel zurück. Der unausgewogene Einsatz von Agrochemikalien beeinträchtigt die Nährstoff- und Geschmacksqualität von Obst, Gemüse und anderen Nahrungspflanzen. Langfristig übermäßiger Düngemitteleinsatz kann den Humusgehalt des Bodens verringern und Boden und Grundwasser mit Nitrat belasten, was die Gesundheit von Mensch und Tier gefährdet. Übermäßiger Einsatz von Agrochemikalien schädigt zudem die mikrobiellen Aktivitäten und biochemischen Reaktionen im Boden. Die Veränderung der Diversität und Zusammensetzung der nützlichen Mikroorganismen kann das Pflanzenwachstum und die Pflanzenentwicklung beeinträchtigen, indem entweder die Nährstoffverfügbarkeit sinkt oder die Krankheitsanfälligkeit steigt [ 72 ].
Der Kontakt mit Pestiziden über die Haut, den Verdauungstrakt oder die Atemwege führt zu einer verminderten Lungenfunktion [ 73 ], pfeifenden Atemgeräuschen, einem erhöhten Lungenkrebsrisiko [ 74 ], chronischer Bronchitis und chronisch-obstruktiver Lungenerkrankung (COPD) [ 75 ], Asthma, Husten, Rhinitis und anderen Atemwegssymptomen [ 76 ]. Bhandari [ 77 ] berichtete, dass Agrochemikalien schwerwiegende Gesundheitsgefahren bergen und Krebs begünstigen können. Bestimmte Pestizide beeinträchtigen zudem das menschliche Immun- und Hormonsystem. Organophosphat-Insektizide, die im Gemüseanbau eingesetzt werden, reichern sich kontinuierlich im menschlichen Körper an und stehen im Verdacht, Krebs zu verursachen [ 78 ]. Zahlreiche Pestizide können verschiedene Krebsarten, Lungenschäden, neuronale Störungen, Geburtsfehler, akute und chronische Schädigungen des Nervensystems und der Fortpflanzungsorgane sowie degenerative Erkrankungen hervorrufen. Einige beeinträchtigen das fetale Wachstum und verursachen angeborene Fehlbildungen und Funktionsstörungen des Immun- und Hormonsystems [ 79 ]. Die übermäßige Verwendung von Kunstdünger und tierischen Abfällen auf landwirtschaftlichen Flächen führt zum Abfluss überschüssiger Nährstoffe, die in Gewässer gelangen und dort das Algenwachstum fördern. Diese Algen produzieren das Nervengift Domoinsäure, und der Verzehr von mit diesen Stämmen kontaminierten Weichtieren kann zum Tod führen [ 80 ]. In der Umgebung von landwirtschaftlichen Flächen befinden sich verschiedene entzündungsfördernde Aerosole, die das Risiko von Lungenentzündungen und -erkrankungen bei exponierten Personen erhöhen können [ 81 ]. All diese Chemikalien und Umweltgifte können verschiedene gesundheitliche Probleme beim Menschen verursachen und die Verdauung sowie die Nährstoffaufnahme aus der Nahrung beeinträchtigen.
3.5. Veränderungen in den landwirtschaftlichen Praktiken
Weltweit wird der Wiedereinführung traditioneller Anbaumethoden als klimaschonender Ansatz [ 82 ] zunehmend Aufmerksamkeit geschenkt, um nährstoffreiche Nutzpflanzen zu erzeugen. Pflanzen, die im Freiland angebaut werden, sind verschiedenen biotischen und abiotischen Stressfaktoren ausgesetzt, die zur Anreicherung unterschiedlicher sekundärer Pflanzenstoffe und gesundheitsfördernder Verbindungen führen. Pflanzen, die unter geschützten und pflanzenfreundlichen Bedingungen wachsen, weisen zwar höhere Erträge und einen höheren Wassergehalt auf, jedoch aufgrund des Verdünnungseffekts eine geringere Nährstoffqualität [ 83 ]. Der Gehalt an sekundären Pflanzenstoffen und die Nährstoffqualität von Obst, Gemüse und Nutzpflanzen können in Abhängigkeit von biotischem und abiotischem Stress in der Umgebung der Pflanzen sowohl steigen als auch fallen [ 84 ]. Abiotische Stressfaktoren wie hohe Salzgehalte im Boden, extreme Dürre und hohe Temperaturen können die Mineralstoffzusammensetzung von Nutzpflanzen stark verändern [ 85 ]. Ähnlich verhält es sich mit natürlich wachsenden, wenig genutzten Heilpflanzen ( Aloe vera , Khimp und Kürbisgewächse) in der westlichen Thar- Wüste Rajasthans. Sie enthalten überraschend viele Phenole, Alkaloide, Vitamine, Mineralstoffe und proteinreiche Nährstoffe im Vergleich zu künstlich angebauten Pflanzen [ 14 ].
Hauptursachen für die Nährstoffverdünnung bei Gemüsepflanzen sind die Sortenvielfalt und veränderte Anbaumethoden wie der geschützte Anbau [ 28 , 83 ], der Einsatz höherer Düngermengen und die Bewässerung. Eine extreme Verschlechterung der physikalischen und biologischen Bodenqualität durch bestimmte moderne Anbaumethoden kann zu einer geringeren Nährstoffdichte in Obst, Gemüse und anderen Nutzpflanzen führen [ 86 , 87 ]. Traditionell werden diese Pflanzen auf Feldern mit ausgewogener Nährstoffversorgung angebaut. Heutzutage werden Tomaten, Paprika und Gurken jedoch in erdlosen Kulturen wie Hydrokultur unter geschützten Bedingungen angebaut, die durch künstliche Düngung und Bewässerung auf maximale Erträge optimiert sind. Der Nährwert der Erzeugnisse wird nicht berücksichtigt, obwohl im Boden angebaute Pflanzen durch biochemische Prozesse und Rhizosphärenmikroorganismen Mikronährstoffe in größeren Mengen aufnehmen können. Pflanzen, die in natürlichem Boden wachsen, können zudem viele weitere Mikronährstoffe aufnehmen, die zwar nicht essentiell für sie sind, aber für die menschliche Ernährung von großem Nutzen [ 88 ]. Überraschenderweise mangelt es an fundierten Studien, die die Nährstoffzusammensetzung von im natürlichen Boden und in Hydrokultur (substratloser Kultur) angebauten Pflanzen vergleichen, obwohl die Produktion in Hydrokultur stetig gesteigert wird. Farias et al. [ 89 ][ ] wurde berichtet, dass Kartoffeln, die in einem Weinberg angebaut wurden, auf dem lange Zeit Kupferfungizide eingesetzt wurden, eine hohe Kupferkonzentration in den Knollen aufwiesen. Auch die Photosyntheserate könnte eine Rolle spielen, da Pflanzen photoassimilierten Kohlenstoff schnell durch direkte Wurzelexsudation und assoziierte Mykorrhizapilze an den Boden abgeben, was die Nährstoffverfügbarkeit für die Pflanze verbessert [ 90 ]. Zusammenfassend lässt sich anhand der vorliegenden Forschungsergebnisse feststellen, dass Nutzpflanzen, die mit traditionellen Methoden in natürlichen organischen Böden angebaut werden, eine hohe mikrobielle Diversität aufweisen und stets nährstoffreichere und qualitativ bessere Produkte liefern.
3.6. Nacherntebehandlung und Lagerung
Traditionell wurden die meisten Obst- und Gemüsesorten frisch oder nur minimal verarbeitet verzehrt, wodurch die ursprüngliche Nährstoffqualität erhalten blieb [ 83 ]. Es kam jedoch zu erheblichen Veränderungen in der chemischen Zusammensetzung, Farbe, Textur und im Geschmack. Auch während der Lieferkette und bei der Nacherntebehandlung kann es zu Nährstoffverlusten bei frischem Obst und Gemüse kommen [ 83 , 91 ]. Die Veränderung der Nährstoffzusammensetzung von der Ernte bis zur Verwendung hängt in gewissem Maße vom jeweiligen Nährstoff, der Art des Produkts, den Methoden der Nacherntebehandlung, den Lagerbedingungen und dem Garzustand ab [ 83 ]. Der Nährstofferhalt wird optimiert, wenn frisches Obst und Gemüse schonend behandelt und bei hoher relativer Luftfeuchtigkeit und niedriger Temperatur gelagert wird [ 83 ]. Im Allgemeinen werden wasserlösliche Nährstoffe wie Vitamin B, Vitamin C und Polyphenole durch Verarbeitungsprozesse abgebaut und können in das Kochwasser oder das Konservierungsmittel übergehen [ 83 ]. Vitamin A, Vitamin E, Carotinoide und Lycopin reagieren stark auf Temperatur, Sauerstoff, pH-Wert und Licht und können durch Einfrieren, Hitzebehandlung, Hochdruck oder zusätzliche Konservierungsverfahren aus ihren Zellmatrizen freigesetzt werden [ 83 ]. Vitamin C ist wasserlöslich und extrem empfindlich gegenüber hohen Temperaturen, Licht und Sauerstoff. Daher kann es beim Kochen von frischem Obst und Gemüse sowie bei der Wärmebehandlung zu Verlusten von 15 bis 55 Prozent kommen; beim Einkochen verringert sich der Vitamin-C-Gehalt um 10 bis 90 Prozent. Die Vitamin-C-Verluste reichen von 15 Prozent bei grünen Erbsen bis zu 77 Prozent bei grünen Bohnen, die 7 Tage lang bei 4 °C gelagert wurden. Im Gegensatz dazu waren die Verluste nach 7 Tagen Lagerung bei 0 °C vernachlässigbar, betrugen aber bei 20 °C 56 Prozent bei Brokkoli [ 91 ]. Die B-Vitamine reagieren sehr empfindlich auf Hitze und Licht. Experimentelle Verluste durch Einmachen liegen bei verschiedenen Gemüsesorten zwischen 7 und 70 Prozent, beim Einfrieren zwischen 20 und 60 Prozent. Polyphenole nehmen normalerweise bei der Lagerung von frischen Pfirsichen, Birnen, Äpfeln und Gemüse durch Schälen, Einmachen und Blanchieren ab [ 92 ]. Bei Karotten stieg der Beta-Carotin-Gehalt um 10 Prozent, während er bei grünen Bohnen nach 14–16 Tagen Kühllagerung um 10 Prozent sank [ 92 ].
Der Lycopin-Gehalt in verarbeiteten Tomatenprodukten stieg vermutlich durch die hitzebedingte Freisetzung aus der Zellmatrix [ 93 ]. Durch die Verarbeitung wird das natürlich vorkommende Enzym Myrosinase zerstört, das in Kreuzblütlern nährstoffreiche Isothiocyanatverbindungen produziert. Die Vitamin- und Mineralstoffkonzentrationen in rohem Obst und Gemüse werden durch die Verarbeitungsmethoden nur geringfügig beeinflusst [ 91 ], wobei durch das Putzen mineralstoffreiches Pflanzengewebe entfernt werden kann.94 ]; die Entfernung von Bodenpartikeln beeinträchtigte den Mineralstoffgehalt von Spinat und Karotten, was zu geringen Eisenverlusten führte.
