Kupfer und seine Bedeutung für Pflanzen

1. Eintrag.

Kupfer ist ein Schwermetall mit einer Atommasse von 63,54 u. Nach Silber ist es der beste Wärme- und Stromleiter. In Verbindungen tritt es in den Oxidationsstufen I oder II auf. Kupfer neigt stark zur Komplexbildung. Die Stabilitätskonstanten von Kupferkomplexen sind im Allgemeinen höher als die anderer zweiwertiger Metalle und stehen nur hinter der Stabilität bestimmter Komplexe mit einwertigem Eisen.

Das Vorhandensein geringer Mengen Kupfer in Pflanzen- und Tiergeweben wurde Anfang des 19. Jahrhunderts entdeckt, galt aber zunächst als reiner Zufall. Bereits 1847 wurde jedoch festgestellt, dass Kupfer Bestandteil von Hämocyanin ist – dem Atmungsfarbstoff im Blut von Weichtieren. Ein Meilenstein der Kupferforschung war die Entdeckung seiner Rolle bei der Hämoglobinsynthese im Jahr 1924. Diese Entdeckung gab den Anstoß zur Suche nach Kupfer in allen lebenden Geweben sowie in Lebensmitteln und regte zudem die Forschung zum Zusammenhang zwischen Kupfer und bestimmten Enzymsystemen an.
Andererseits wurden die fungiziden Wirkungen von Kupferverbindungen bereits in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts erkannt. Anfänglich ging man davon aus, dass Kupfer auch auf höhere Pflanzen ausschließlich toxisch wirkt. Erst zu Beginn des 20. Jahrhunderts setzte sich die Annahme durch, dass Kupfer ein essenzieller Nährstoff für Pflanzen sein könnte. Chemische Analysen zeigten, dass alle Pflanzen 3 bis 40 ppm oder mehr Kupfer, bezogen auf das Trockengewicht, enthielten. Es wurde auch beobachtet, dass das Besprühen von Nutzpflanzen mit Bordeauxbrühe (basischem Kupferkalksulfat) zu höheren Erträgen führte, mitunter sogar dann, wenn die Pflanzen nicht von Pilzen befallen waren. Allerdings wiesen Sommer, Lipman und Mackinney erst mithilfe speziell gereinigter Mineralsalze und destilliertem Wasser in Pyrex-Glasapparaturen nach, dass Pflanzen in einem kupferfreien Medium nicht wachsen und dass dieses Spurenelement für sie essenziell ist.

2. Aufnahme und Gehalt an Kupfer in Pflanzen.

Man geht davon aus, dass der größte Teil des Kupfers im Boden von organischen und anorganischen Komplexen absorbiert oder in das Kristallgitter von Mineralien eingebaut wird. In mineralischen Böden ist Kupfer im Allgemeinen leicht austauschbar. In humusreichen Böden hingegen ist Kupfer, das von Bodenkolloiden als Cu²⁺ oder CuOH⁺ absorbiert wird^, deutlich^stärkergebunden als andere Kationen und lässt sich nur schwer, am besten durch Wasserstoffionen (H⁺), verdrängen^.Es wird angenommen, dass bestimmte Humusformen Kupfer besonders stark binden, dieser Zusammenhang ist jedoch noch nicht vollständig geklärt. Aufgrund dieser starken Absorption ist Kupfer in organischen Böden jedenfalls wenig mobil. Vermutlich unterliegt Kupfer im Boden keinen Valenzänderungen und liegt fast ausschließlich in seiner zweiwertigen Form vor. Ein Teil des Kupfers im Boden findet sich in komplexen Verbindungen mit organischen Substanzen in Form sogenannter Chelate. Chelatbindungen sind von besonderer Bedeutung, da Kupfer in dieser Form leichter von Pflanzen aufgenommen wird als im Bodensorptionskomplex gebunden.

Kupfer wird von Pflanzen in Form von Cu²⁺-Ionen oder Kupferchelatkomplexen aufgenommen^.  Der Einfluss des pH-Werts auf die Kupferaufnahme ist noch nicht abschließend geklärt. Obwohl allgemein angenommen wird, dass die Kupferaufnahme mit zunehmender Alkalinität abnimmt, zeigen Studien, dass kein Zusammenhang zwischen dem pH-Wert des Bodens und der Kupferaufnahme durch Pflanzen besteht. In aquatischen Kulturen wurde sogar eine erhöhte Kupferaufnahme bei einem Anstieg des pH-Werts von 3,7 auf 7,0 beobachtet. Mengel argumentierte, dass der Einfluss anderer Kationen auf die Kupferaufnahme praktisch vernachlässigbar sei und Kupfer dazu neige, andere Kationen zu verdrängen, was sich unter anderem in der starken Bindung von Kupfer an Pflanzenwurzeln zeige. Es wurde jedoch eine deutliche Wechselwirkung zwischen Kupfer und Eisen festgestellt, die die toxischen Wirkungen beider Spurenelemente aufhebt. Der Kupfergehalt in Pflanzen hängt von verschiedenen Faktoren ab, darunter die Pflanzenart, das Organ, das Wachstumsstadium, die Umweltbedingungen und die Düngung. Prinzipiell schwankt der Kupfergehalt in Pflanzen jedoch innerhalb relativ enger Grenzen: von etwa 1 ppm Cu im Trockengewicht der oberirdischen Pflanzenteile bis zu etwa 30 ppm Cu. Die Kupferkonzentration in den Wurzeln ist üblicherweise höher.

3. Symptome von Kupfermangel bei Pflanzen.

Das erste Anzeichen von Kupfermangel bei Obstbäumen sind ungewöhnlich dunkelgrüne Blätter, die auf hohe Stickstoffkonzentrationen hindeuten. Bei starkem Kupfermangel verfärben sich die Blätter jedoch gelbgrün und fallen vorzeitig ab. Die Krankheitssymptome sind sehr charakteristisch und treten früh auf. Die Pflanzen wachsen zunächst normal, doch nach etwa zwei bis drei Wochen bildet sich Chlorose an den Blatträndern; die Blattspitzen welken und sterben ab und nehmen eine gelblich-graue Farbe an. Diese Symptome treten auch an jungen Blättern auf, die absterben, ohne ihre Blattspreiten auszubilden. Die unteren Blätter bleiben länger grün, und es können sich zahlreiche Seitentriebe aus der Basis bilden, die jedoch ebenfalls schließlich Krankheitssymptome zeigen.

4. Physiologische und biochemische Funktionen von Kupfer in Pflanzen.

Die Rolle von Kupfer im Pflanzenstoffwechsel ist eng mit seiner Beteiligung an enzymatischen Systemen verknüpft, die an Redoxprozessen beteiligt sind. In den meisten Fällen wurde nachgewiesen, dass Kupfer in diesen Prozessen als Elektronenträger fungiert, indem es seine Oxidationsstufe ändert. Die Funktion von Kupfer ähnelt stark der von Eisen. Die am besten untersuchten Enzyme, in denen Kupfer einen signifikanten Anteil ausmacht, sind drei Sauerstoffoxidasen: Catecholoxidase, p-Diphenoloxidase und Ascorbatoxidase. In diesen Oxidasen liegt der Kupfergehalt zwischen 0,20 und 0,26 % Cu, wobei die Metallatome in einem hochstabilen Komplex an das Enzymprotein gebunden sind. Gemeinsames Merkmal dieser Enzyme ist die Fähigkeit, Elektronen ausschließlich auf Sauerstoff zu übertragen; das Reduktionsprodukt ist stets Wasser. Es wurde außerdem gezeigt, dass 75 % des in Blättern enthaltenen Kupfers in Chloroplasten als organische Bindung vorliegen, was auf die Beteiligung des Elements an der CO₂-_Assimilation. Auch die positive Wirkung von Kupfer auf die Photosyntheseintensität und die Hill-Reaktion wurde beschrieben. Dieser Effekt wurde deutlich, als in grünen Pflanzenteilen ein kupferhaltiges Protein namens Plastocyanin entdeckt wurde. Der Kupfergehalt von Plastocyanin beträgt 0,58 %, was auf zwei Kupferatome pro Enzymmolekül hindeutet. Plastocyanin kommt ausschließlich in photosynthetischen Organen vor. Berechnungen zufolge macht das Kupfer im Plastocyanin die Hälfte des gesamten Kupfergehalts in Chloroplasten aus. Studien von Bishop und anderen Forschern haben gezeigt, dass Plastocyanin als Elektronenträger in der Reaktionskette zwischen Photosystem II und I oder ausschließlich in Photosystem II fungiert. Kupfer ist, oft auf noch ungeklärte Weise, an weiteren Stoffwechselprozessen der Pflanze beteiligt, insbesondere am Lipid- und Eisenstoffwechsel, und wirkt sich positiv auf den Protein- und Chlorophyllgehalt aus. Seine Rolle bei der Nitratreduktion ist jedoch umstritten.

-Anna Nowotna-Mieczyńska „Physiologie der Mineralernährung von Pflanzen“ PWRiL 1965,

-Konrad Mengel, Ernest A. Kirkby „Grundlagen der Pflanzenernährung“ PWRiL 1983,

– Mark Szkolnik „Mikroelemente im Pflanzenleben“ PWRiL 1980,

 -Lityński T., Jurkowska H „Bodenfruchtbarkeit und Pflanzenernährung“ PWN 1982,

– Franck B. Salibury, Cleon Ross „Plant Physiology“ PWRiL 1975,

-Zurzycki J. Michniewicz M. „Plant Physiology“ PWRiL 1979,

-Otis F. Daniel G. Curtis Clark "Einführung in die Pflanzenphysiologie" PWRiL 1958.