Mineralstoffaufnahme durch die Pflanze

Guido Kossmann, Bayreuth

Wasserpflanzern können mit ihrer gesamten Oberfläche im Wasser gelöste Mineralstofffe aufnehmen (Horst, 1992). Pflanzenzellen der Blattoberfläche sowie der Wurzel weisen Barrieren auf, die es Ihnen ermöglichen den Ein- und Ausstrom von Mineralstoffen zu regulieren. Pflanzenzellen sind von einer starren Zellwand und einer halbdurchlässigen (semipermeablen Membran = Zellmembran) umgeben. Semipermeabel bedeutet hier, dass Wasser ungehindert die Membran passieren kann, während die Passage für Moleküle erschwert und für geladene Ionen annähernd unterbunden wird (Nultsch, 1996).

Abb.1. Wasser- und Ionenaufnahme einer Pflanzenzelle nach Marschner (2002)

Diese Semipermeabilität ermöglicht es der Pflanze gegenüber ihrer Umgebung Mineralstoffe für physiologische Prozesse (Nähr - und Energiestoffwechsel) anzureichern 1). Da gelöste Stoffe das Bestreben aufweisen, sich gleichmäßig im Wasser zu verteilen, diffundieren (bewegen) sie sich zu Orten geringerer Konzentration. Aufgenommene Mineralstoffe würden zwangsläufig wieder aus der Wasserpflanzenzelle in das Aquarienwasser zurück diffundieren. Die Zellmembran ermöglicht eine kontrollierte Anreicherung und Abgabe von Mineralstoffen (Nultsch, 1996; Marschner, 2002; Abb. 1).

Diese Anreicherung und Abgabe erfolgt durch spezifische Mechanismen der Zellmembran. Proteine bilden Tunnelmoleküle, die die Membran durchdringen. Sie ermöglichen bestimmten Ionen eine ungehinderte Membranpassage (Ionenkanäle), können aber auch geschlossen werden. Ionenpumpen stellen eine Art Schleuse in der Zellmembran dar. Sie transportieren Ionen unter Energieaufwand durch die Membran. Wie Ionenkanäle sind sie spezifisch für die Aufnahme oder Abgabe bestimmter Ionen zuständig (Nultsch, 1996; Marschner, 2002, Abb.1).

Da sowohl Kanäle als auch Pumpen ionenspezifisch unterschiedlich effizient arbeiten, ist die Art des Mineralstoffes (z.B. P als HPO₄^2-/ H₂PO₄^-) mitunter entscheidend für die Rate der Aufnahme eines Nährelementes (Bergmann, 1996). Der pH-Wert, die Verfügbarkeit von O2 sowie die Verfügbarkeit gelöster organischer Verbindungen stellen die wichtigsten Faktoren für die Ausbildung eines Mineralstoffes und seine Löslichkeit dar und beeinflußen somit seine Aufnahme durch Pflanzen maßgeblich (Marschner, 2002; Scheffer et al., 2002).

pH-Wert und Mineralstoffversorgung

In analoger Weise beeinflußt der pH-Wert durch Bildung bestimmter Mineralstoffe die Löslichkeit, sowie die Aufnahme anderer Nährelemente (Bergmann, 1992,; Scheffer et al.. 2002).

Generell ist die Löslichkeit (Verfügbarkeit) der meisten Nährelemente im sauren Millieu (< pH) am höchsten. Durch die „Säurewirkung“ von Protonen (H⁺) bilden sich lösliche Mineralstoffe. So kann Kalk (Calcium-carbonat) unter Wirkung von H⁺ in das gut lösliche Salz Ca-Hydrogencarbonat überführt werden, welches eine Ca-Quelle für Pflanzen darstellt (I/II verändert aus Scheffer et al. (2002):

		H2CO₃			>			HCO₃^-	+	H⁺	I)
CaCO₃	+	HCO₃^-	+	H⁺	>	Ca²⁺	+	2 HCO₃^-			II)

I) Kohlensäure > Hydrogencarbonat + Proton
II) Calciumcarbonat + Hydrogencarbonat + Proton > Freies Ca-Ion + Hydrogencarbonat

N liegt unter aeroben Bedingungen (gute O₂-Versorgung) bei einem pH > 5,5 meist in Form von Nitrat (NO₃^-) vor. Es wird bei der Mineralisation organischer Substanz (Abbau durch Mikroorganismen) zuerst in Ammonium (NH₄⁺) überführt und dann zu NO₃^- umgewandelt (nitrifiziert). Bei niedrigem pH verläuft die Nitrifikation gestört ab und es kann zu einer Anreicherung von NH₄⁺ kommen (III/IV aus Scheffer et al. 2002). Eine auschließliche Ammonium-Ernährung birgt jedoch für die Pflanze eine Vielzahl negativer physiologischer Konsequenzen (Schulze et al, 2002).

Bei den Nährelementen P und Mo wurden bei niedrigerem pH höhere Aufnahmeraten festgestellt. Aufgrund höherer H⁺-Konzentrationen nimmt HPO₄^2-verrstärkt H⁺ auf und reagiert zu H₂PO₄^- während MoO₄^2- zu HMoO₄^- reagiert. Durch die Protonierung sinkt die Ladung der Mineralstoffe und diese können so leichter von der Pflanze aufgenommen werden (Bergmann, 1992).

NH₄⁺	+ 1½O₂	>	NO₂^-	+ H₂O	+ 2 H⁺	III)
NO₂^-	+ ½O₂	>	NO₃^-			IV)

III) Ammonium + Sauerstoff > Nitrit + Wasser + Protonen
IV) Nitrit + Sauerstoff > Nitrat

Tab. 4 Mineralstoffe, die bevorzugt von Pflanzen aufgenommen werden aus Bergmann (1992)

	Aufnahme durch die Pflanze als

N	NO₃^-/ NH₄⁺
P	H₂PO₄^- / HPO₄^2-
K	K⁺
S	SO₄^2-
Ca	Ca₂⁺
Mg	Mg₂⁺
B	H₄BO₄^- / H₃BO₃
Cl	Cl^-
Mo	MoVIO₄^2- / HMoVIO₄^-
Cu	Cu₂⁺ / Cu-org /Cu-Aminosäuren
Fe	Fe₂⁺ / FeII/III-Citrat 2)
Mn	Mn₂⁺ / Mn-org 3)
Zn	Zn₂⁺ / Zn-org

Der Optimalbereich für die Aufnahme von MIneralstoffen liegt für Wasserpflanzen bei pH 6-7 (Krause, 1985, Schmidt, 1985) 4). Zwar erhöht sich die Löslichkeit der meisten Mineralstoffe im stärker sauren Bereich, jedoch können Aufnahmemechanismen durch hohe H⁺-Konzentrationen im Wasser gestört werden (z.B. Fe-Aufnahme, Bergmann 1992).

Im alkalischen Milieu (pH > 7) kann neben geringerer Mineralstofflöslichkeit das Wachstum von Wasserpflanzen durch eine geringe CO₂-Verfügbarkeit beeinträchtigt werden. Nach Walstad (1999) reagiert CO₂ bei pH > 7 verstärkt zu Hydrogencarbonat (HCO₃^-), so dass bei pH 8,5 annähernd 100 % des gelösten inorganischen C in Form von HCO₃^- vorliegen (V). Weichwassertolerante Pflanzen sind meist nicht in der Lage HCO₃^- als C-Quelle zu nutzen. Horst (1992) spricht in diesem Zusammenhang vom einem pH-CO₂-Carbonat-Komplex.

CO₂	+	H₂O	>	H₂CO₃	>	HCO₃^-	+	H⁺
Kohlendioxid	+	Wasser	>	Kohlensäure	>	Hydrogencarbonat	+	Proton

Viele hartwasser-toleranten Pflanzen können HCO₃^-als C-Quelle nutzen. In Hartwasseraquarien (Ostafrikanische Cichlidae, Monodactylidae, Poecilidae) sollten daher angepasste Pflanzen gehalten werden (Tab. 5).

Tab. 5 Beispiele Hartwasser –und Weichwassertolerante Wasserpflanzenarten aus Walstad (1999)

Hartwasser	Weichwasser

Chara spec.	Eriocaulon spec
Anubias barteri	Isoetes spec
Microsorum pteropus	Tonina spec
Potamogeton pectinatus	Mayaca spec.
Ludwigia repens	Bacopa caroliana
Vallisneria spiralis	Littorella uniflora
Ceratophyllum demersum	Lobelia dortmanna

Biogene Entkalkung
Bei starker Beleuchtung 6) birgt die Nutzung von HCO₃^- das Problem, daß höhere Wasserpflanzen (z.B. Egeria sp.) zum Ladungs- und pH-Ausgleich HCO₃^- zusammen mit H⁺ aufnehmen (Walker et al. (1980).
Bei der Nutzung des HCO₃^- für die Photo-synthese werden große Mengen an OH^- (Hydroxidionen) produziert, die von Pflanzen an das Wasser abgegeben werden (LUBW, 1999; ALU, 2003). Im Aquarienwasser bewirkt OH^- eine Neutralisierung von H⁺ (VI). Die H⁺-Aufnahme und die OH^--Abgabe durch Pflanzen führt zu einem Anstieg des pH im Aquarienwasser.

Dieser pH-Anstieg wird jedoch durch Pufferreaktionen im Wasser verzögert. Zur pH-Pufferung erfolgt eine Deprotonierung von HCO₃^- (H⁺-Abspaltung, VII ). Die dabei entstehenden Carbonationen (CO₃^- ) reagieren mit Ca₂⁺ unter Kalkbildung Kalk (CaCO₃, VIII). Da Kalk schlechter löslich als Calciumhydrogencarbonat (Ca(HCO₃)₂ ) ist, fällt dieser als weißlicher Niederschlag auf der Oberfläche von Wasserpflanzen aus, da dort die niedrigsten H⁺-Konzentrationen vorliegen (Abb.2).

Abb. 2 Schema der biogenen Entkalkung von Gewässern durch Pflanzen nach (LUBW, 1999; ALU, 2003)

Der pH-Wert beschreibt die Säurekonzentration (H⁺- oder Protonen-Konzentration) einer Lösung. Generell gilt:

pH < 7 induziert saure (H⁺ > OH^-),
pH = 7 neutrale (H⁺ = OH^-) und
pH > 7 alkalische (H⁺ < OH^-) Bedingungen

Da die Konzentrationen der betreffenden Ionen extrem gering sind (pH 7 = 10^-7 = 0, 000 000 1 g H⁺ l^-¹), wird der negative Zehner-Logarithmus der H⁺-Konzentrationen angegeben (log 10^-7 H⁺g l^-¹ = pH 7). Somit fällt der pH mit steigender H⁺-Konzentration (pH 4 = 10^-4 = 0.000 1 g H⁺ l^-¹. Im Vergleich zu pH 7 weist pH 4 dementsprechend eine tausendfach höhere H⁺-Konzentration auf.

H⁺	+	OH-	>	H2O			(VI)
Proton	+	Hydroxidion	>	Wasser

HCO₃^-			>	H⁺	+	CO₃^2-	(VII, Deprotonierung)
Hydrogencarbonat			>	Proton	+	Carbonat

Ca²⁺	+	CO₃^-	>			CaCO₃↓	(VIII, Kalkfällung)
Calcium	+	Carbonat	>			Kalk

Bei der pH-Pufferung durch HCO₃^- und die anschließende Kalkfällung wird die Carbonathärte des Wassers kontinuierlich verbraucht (LUBW, 1999). Nach gänzlichem Verlust der Carbonathärte, kommt es bei anhaltender
OH--Abgabe durch Pflanzen zu einem drastischen Anstieg bis > pH 10 (Walstad, 1999).
Die dabei entstehende Lauge (H⁺ << OH^- ) führt bei aquatischen Tieren zu weißlichen Verätzungen der Schleimhäute (Laugenkrankheit, Untergasser, 1989). In jedem Fall muss bei Auftreten von Kalkfällungen die Beleuchtung reduziert und ein Wasserwechsel durchgeführt werden, da neben Verätzungen aufgrund des hohen pH-Wertes auch die Gefahr einer Ammoniak-Vergiftung besteht (Untergasser, 1989).

Langfristig läßt sich die biogene Entkalkung durch eine zusätzliche CO2-Versorgung auch bei stärkerer Beleuchtung vermeiden. Bei einer Carbonathärte von 3 - 5 ° dH kann durch die entstehende Kohlensäure (V) der pH in einem für die Mineralstoffversorgung von Wasserpflanzen optimalen Bereich gehalten werden (Krause, 1985).

Säureschock
Aus Gründen des Korrosionschutzes wird das Trinkwasser auf einen pH ≥ 7 eingestellt (Krause, 1985, Horst, 1992). Insofern treten Probleme einer zu starken Säurebelastung von Fischen und Pflanzen eigentlich nicht auf.
Für die Pflege von Tieren aus Schwarzwassergebieten (Symphysodon discus, Paracheirodon innesi) kann jedoch ein Verschneiden mit demineralisiertem Wasser und eine künstliche Ansäuerung sinnvoll sein. Führen diese Maßnahmen zu einer Beeinträchtigung des Pflanzenwachstums, sollte auf weichwasser-tolerante Pflanzenarten zurückgegriffen werden (Tab. 5).

Sowohl aus Sicht der Pflanzenernährung als auch aus Sicht der Tiergesundheit sollte bei einer Demineralisierung die Carbonathärte 3° dKH nicht unterschreiten. Dieser Rest an Carbonathärte kann auch im sauren Bereich den pH puffern (IX).

HCO₃^-	+	H⁺	>	H₂CO₃		(IX, pH-Pufferung)
Hydrogencarbonat	+	Proton	>	Kohlensäure

HCO₃^- bildet unter Aufnahme eines Protons aus dem Wasser Kohlensäure. Das Proton wird in diesem Fall nicht neutralisiert wie unter (VI) sondern lediglich an HCO₃^-- gebunden (Scheffer et al., 2002). Kohlensäure weist als schwache Säure ein nur geringes Bestreben zur Deprotonierung auf 8), In einem gewissen Rahmen kann diese Pufferreaktion H⁺ (aus der Atmung von Pflanzen und Tiere, sowie der Mineralisation organischer Substanz) binden und einen pH-Sturz des Aquarienwassers verhindern.

Fische neutraler Gewässer weisen bei einem pH ≤ 5,3 erste Gesundheitschädigungen mit Verätzungen (Säurekrankheit, SChmidt, 1985) auf. Bei einer rapidem Abnahme des pH kann es selbst bei ausgesprochen säure-toleranten Weichasserfischen zu einem Säure-Schock kommen (Untergasser, 1989). Unter extrem sauren Bedingungen erfolgt auch die Mineralstoffaufnahme der meisten gängigen Wasserpflanzen nur gestört.

Mineralstoffmangel bei Wasserpflanzen

Auch wenn Wasserpflanzen bei einem optimalem pH-Wert wachsen, benötigen sie meist zusätzliche Mineralstoffe. Durch Futtergaben werden nennenswerte Mengen an Hauptnährelementen N und P in das Aquarienwasser eingetragen (Horst, 1992; Watson, 2007). Fische geben N-Mineralstoffe über die Kiemen direkt oder P über Exkremente indirekt an das Wasser ab. P wird durch mikrobielle Mineralisierung in Mineralstoffe überführt. Wasserpflanzen nutzen dieses reichaltige Angebot. Für ein gesundes Wachstum müssen jedoch die Hauptnährelemente untereinander und mit Spurenelementen in einem engen Verhältnis stehen (Schmidt, 1985, Watson, 2007).

	Nach Liebig’s Minimum-Gesetz (1855) wird das Pflanzenwachstum stets durch das im Minimum vor-liegende Nährelement limiitert (Abb 3). Die einzelnen Dauben des abgebildeten Fasses repräsentieren Nähr-elemente in Verhältnissen, wie sie im Leitungswasser auftreten (BEW, 2005). Im Leitungswasser wirken meist niedrige Konzentrationen an Spurenelementen, K und PO₄ limitierend. Bei extremen Ungleich-gewichten zwischen Haupt- und Spurenelementen kommt es häufig zur Schädigung von Pflanzen. Mayer erkannte 1896, dass auch Umweltfaktoren wie pH-Wert, O₂/CO₂-Verfügbarkeit, Temperatur, Beleuchtungs-stärke als Minimumfaktor auftreten können, wenn die Ansprüche der Pflanze nicht erfüllt werden."
Abb. 3 Minimunfass verändert nach Finck 1991

Mitscherlich fasste 1906 weitere Erkenntnisse im Optimum-Gesetz zusammen. Danach gibt es für das Pflanzenwachstum einen Bereich optimaler Versorgung. Er bewies, dass eine Versorgung mit einem Umweltfaktor oder Nährelement über diesen Optimalbereich hinaus zwangsläufig zu einem Einbruch des Pflanzenwachstums führt. Eine Überversorgung mit einem Element kann zu einem Mangel anderer Elemente und zu einer Vergiftung (Toxizität) führen (Finck, 1991; Bergmann, 1992).

Horst (1992) verweist darauf, daß häufig, in der Natur auftretenden extrem niedrigen Mineralstoffkonzentrationen, als Argument gegen eine Mineralstoffdüngung im Aquarium angeführt werden.
In Fließgewässern ist eine permanente Nachlieferung von Mineralstoffen mit dem Wasserstrom gegeben. Der Wasserstrom verbreitet durch Sicker- und Grundwasserquellen eingetragene Mineralstoffe. Solch eine permante Nachlieferung ist in einem Aquarium technisch schwer zu realisieren. Als aquaristisch praktikable Lösung bietet sich die Mineralstoffdüngung mit mäßiger Wasserumwälzung an (Horst, 1992). Schon angesichts der Mineralstoff-ungleichgewichte im Trinkwasser (Abb. 4) ist eine Düngung mit im Minimum vorliegenden Elementen unerläßlich.

Im Fall eines Nährelementmangels führen die physiologischen Konsequenzen zu einer verringerten Konkurrenzkraft höherer Wasserpflanzen. Unter solchen Umständen reagieren Algen physiologisch flexibler als höhere Wasserpflanzen und nutzen deren geminderte Konkurrenzkraft häufig zu einem massiven Wachstum. Eine Düngung der im Mangel vorliegenden Nährelemente erhöht die Konkurrenzkraft der höheren Wasserpflanzen, welche dann meist durch eine gesteigerte Mineralstoffaufnahme Algen auskonkurrieren können.

Abb. 4 Anteile einzelner Nährelemente am Gesamtelementgehalt (-konzentration) in pflanzlicher Biomasse (Finck, 1991), Leitungswasser (BEW 2005) und Trockenfutter (Walstad 1999)

Ein Vergleich der Anteile von Nährelementen in pflanzlicher Biomasse und Leitungswasser (Abb. 3, linker und mittlerer Stapelplot) verdeutlicht, dass Spurenelemente, K und P im Leitungswasser Minimumfaktoren für das Pflanzenwachstum darstellen. Geht man von einer Mineralstoffkonzentration von 70 mg l^-¹ im Leitungswasser (BEW 2005) aus, so beinhalten 100 l Leitungswasser genügend Mineralstoffe um den Ca-, S- und Mg-Bedarf für > 300 g Biomasse TM 5), den N- und Mn-Bedarf für > 30 g Biomasse TM, den K-, Fe- und P-Bedarf für > 7 g Biomasse TM zu decken. Für Zn, B, Cu und Mo sind noch unterhalb dieser Angabe befindliche Werte anzunehmen 7). Die Mineralstoffversorgung durch das Leitungswasser ist im Hinblick auf den Pflanzenwuchs für Ca, S und Mg als sehr hoch, für N und Mn als mittel für P, K und die Spurenelemente als niedrig - sehr niedrig anzusehen.

Durch Futtergaben wird nun relativ viel N und P in das Aquarium eingebracht (Abb. 3, rechter Stapelplot). Höhere Wasserpflanzen reagieren auf diese gesteigerte Verfügbarkeit mit einem Wachstumsschub, der jedoch auch eine bessere Versorgung mit Spurenelementen (z.B. Fe) erfordert. Da Spurenelemente auch im Trockenfutter in sehr geringen Gehalten vorliegen, kommt es schnell zu einem Spurenelementmangel. Eine regelmäßige Düngung von K und Spurenelementen ermöglicht höheren Wasserpflanzen die effiziente Nutzung von N- und P-Mineralstoffen aus dem Aquarienwasser und erhöht die Konkurrenz-kraft gegenüber Algen.

1) Elemente wie K, P und Fe werden bis zu einem Faktor > 1000 in der Pflanze relativ zum umgebenden Wasser angereichert (berechnet nach Scheffer et al. (2002) und Bergmann (1992)

2) Krautige Pflanzen geben zur Mobilisierung vo Fe und P org. Säuren (z.B. Citronensäure, Aminosäuren) ab, die Fe binden und in Lösung überführen

3) Durch Mikroorganismen oder Pflanzen abgegebene org. Verbindungen (z.B. Säuren, Phenole) können Schwermetalle binden und in Lösung überführen

4) Wilstermann-Hildebrand (2007) bestätigt nach Literaturangaben einen Schwerpunkt gängiger Aquarienpflanzen im Bereich pH 6-7

5) Eine Hand voll frischer Wasserpflanzen-Biomasse (Vallisneria, Echinodorus, Hygrophila) entspricht 0,5-1 g trockener Biomasse (TM ca. 0.05-0.1 × FM)

6) Horst (1992) berichtet von großen intraspezifischen Variabilitäten im Lichtanspruch bei Cryptocoryne-Arten Asiens

7) Berechnet nach Bew (2005) und Angaben zu Elodea occidentalis (Tab. 2, Walstad , 1999)

8) Horst (1992) gibt an, daß gelößtes CO2 lediglich zu 0,7 % dissoziiert (deprotoniert) vorliegt