Eisen bildet natürlicherweise zahlreiche Verbindungen wie Oxide, Hydroxide, Carbonate, Sulfide und andere. In all diesen Verbindungen liegt Eisen in der zweiten oder dritten Oxidationsstufe vor. Es neigt außerdem zur Bildung komplexer Verbindungen. Aufgrund seiner außergewöhnlichen wirtschaftlichen Bedeutung gilt es als das wichtigste Metallelement. Die ersten Hinweise auf die Unentbehrlichkeit von Eisen für Pflanzen stammen aus dem 19. Jahrhundert. So stellte Eusebe Gris 1844 fest, dass Eisenmangel in der Nährlösung zu Chlorose bei Pflanzen führt und dass das Bestreichen der Blätter mit einer Lösung eines anorganischen Eisensalzes diese innerhalb von zwei bis drei Tagen wieder grün werden lässt. Klassische Studien von Sachs und Knop zur Mineralstoffernährung von Pflanzen, die in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts durchgeführt wurden, bestätigten diese Ergebnisse. Eisen wurde in die Liste der zehn für Pflanzen essentiellen Elemente aufgenommen (zusammen mit C, O, H, N, S, P, K, Mg und Ca), die später als „Makroelemente“ bezeichnet wurden. Die Zuordnung von Eisen zu dieser Elementgruppe erfolgte jedoch eher zufällig, da der Eisengehalt in Pflanzengeweben deutlich geringer ist als beispielsweise der von Kalium, Phosphor oder sogar Schwefel oder Magnesium. Daher wird Eisen heute zunehmend als Spurenelement klassifiziert, insbesondere da es aufgrund seiner physiologischen Funktionen viele Eigenschaften mit anderen Schwermetallen wie Kupfer, Mangan und Molybdän – typischen Spurenelementen – teilt.
Eisenaufnahme:
Eisen ist eines der häufigsten Elemente in Böden (nach Sauerstoff, Silizium und Ton). Es kommt in Form von Silikaten, Phosphaten, Oxiden, Hydroxiden und anderen Mineralverbindungen mit unterschiedlicher Löslichkeit sowie in Verbindung mit organischer Substanz vor. Zudem ist es im Boden stark an Ionen gebunden. Pflanzen können Eisen in Form von Eisen(II)-Ionen (Fe²⁺) oder Eisen(III)-Ionen (Fe³⁺) sowie in Form von Chelatverbindungen (als Ionen oder sogar als ganze Partikel) aufnehmen. Die Eisenaufnahme wird maßgeblich vom pH-Wert und den Luftbedingungen des Bodens beeinflusst. Je niedriger der pH-Wert des Bodens, desto mehr Eisen steht den Pflanzen zur Verfügung, während ein pH-Wert über 6 die Eisenaufnahme hemmt. Dies hängt mit der Ausfällung von Eisenhydroxiden im Boden zusammen, die von Pflanzen schlecht aufgenommen werden. Es wurde festgestellt, dass dreiwertiges Eisen (Fe³⁺) bei einem deutlich niedrigeren pH-Wert ausfällt als Eisen in der zweiten Oxidationsstufe (Fe²⁺). Das Vorkommen von Eisen im sekundären Oxidationszustand hängt maßgeblich von der Sauerstoffverfügbarkeit ab. Je geringer die Sauerstoffverfügbarkeit, desto stärker verschiebt sich das Fe²⁺ → Fe³⁺-Gleichgewicht zugunsten von Eisen im zweiwertigen Zustand. Unter stark anaeroben Bedingungen kann sich überschüssiges reduziertes Eisen (Fe²⁺) im Substrat anreichern, was sich nachteilig auf die Pflanzenwurzeln auswirkt. Auch Phosphor hat einen signifikanten Einfluss auf die Eisenaufnahme. Hohe Phosphatkonzentrationen hemmen die Eisenaufnahme durch Pflanzen erheblich. Es tritt Chlorose auf, die durch die Ausfällung von unlöslichem Eisenphosphat auf der Wurzeloberfläche oder in den Siebbündeln der Leitbündel entsteht. Die Eisenaufnahme hängt zudem von den individuellen Eigenschaften der Pflanze ab. Es wurde beobachtet, dass verschiedene Pflanzenarten, die im selben Substrat wachsen, unterschiedliche Mengen an Eisen aufnehmen. Pflanzen, die weniger empfindlich auf Eisenmangel reagieren, können das Substrat stärker ansäuern, was wahrscheinlich die Verfügbarkeit schwerlöslicher Eisenverbindungen im Boden fördert. Eisenkomplexe: Der Eisenaufnahme aus Chelaten wurde viel Aufmerksamkeit gewidmet. Jacobson (1951) veröffentlichte als Erster über die Nützlichkeit einer komplexen Eisenverbindung mit EDTA (Ethylendiamintetraessigsäure), bekannt als Fe-EDTA, für Pflanzen. Zahlreiche Forscher wiesen darauf hin, dass die Eisenaufnahme aus anorganischen Salzen zwar stark vom pH-Wert und dem Redoxpotential beeinflusst wird, die Eisenaufnahme aus komplexen Verbindungen jedoch weitgehend unabhängig von diesen Einflüssen ist. Andererseits zeigten Studien, dass die Eisenaufnahme aus komplexen Verbindungen und der Eisentransport in Pflanzen durch verschiedene Schwermetalle gehemmt werden, insbesondere durch solche, die leicht Chelate bilden, vor allem Kupfer, Nickel, Kobalt und Zink, und in geringerem Maße durch Mangan. Dieses Phänomen ist umso ausgeprägter, je stabiler das Chelat ist, z. B. DTPA oder HBED. Auch die Frage, ob Eisen aus Chelaten in Form von Ionen oder als ganze Moleküle aufgenommen wird, ist Gegenstand von Diskussionen. Experimente zeigten, dass Pflanzen unter Eisenmangelbedingungen mehr von der metallischen als von der chelatisierten Komponente aufnahmen. Bei ausreichendem Eisengehalt in der Nährlösung wurden Eisen und Chelat in äquivalenten Mengen adsorbiert. Es wird angenommen, dass Eisenchelate in den Blättern photochemisch reduziert werden und das dabei freigesetzte aktive Eisen der Pflanze zur Verfügung steht. In manchen Fällen können Chelate die Eisenaufnahme jedoch negativ beeinflussen. Nimmt eine Pflanze aktiv Eisen aus dem Chelat auf, wird der Chelatbildner an der Wurzeloberfläche freigesetzt und kann dort mit anderen Kationen im Substrat reagieren und sekundäre Chelate bilden. Sind solche Kationen jedoch nicht vorhanden, reichert sich der Chelatbildner übermäßig in Wurzelnähe an und trägt aufgrund von Konkurrenz zur Begrenzung der Eisenaufnahme bei.
Eisentransport in Pflanzen.
Traditionell ging man davon aus, dass der Transport (sowie die Aufnahme selbst) in Form eines zweiwertigen Ions (Fe²⁺) erfolgt, das viele Forscher als einzige Form von aktivem Eisen betrachteten. Es wurde festgestellt, dass Mangan und Kupfer eine wichtige Rolle bei der Regulierung des aktiven Eisengehalts in Pflanzen spielen, indem sie die mit Eisen verbundenen Redoxprozesse (Fe²⁺ ⇌ Fe³⁺) katalysieren. Unter anderem bewirken beide Elemente die Oxidation überschüssiger Mengen an zweiwertigem Eisen zu der dreiwertigen, inaktiven Form. Neben Mangan und Kupfer beeinflusst auch Phosphor die Eisenaktivität in Pflanzen. Insbesondere können hohe Phosphorkonzentrationen in Pflanzen zur Ausfällung von Eisenphosphat in den Siebbündeln führen und so den weiteren Transport verhindern. Andere Studien deuten auf einen weiteren Mechanismus für den Eisentransport in Pflanzen hin, nämlich in Form natürlicher Eisenchelate, die das Eisen gleichzeitig vor der Inaktivierung schützen. Es wird allgemein angenommen, dass der Transfer von Eisen von älteren zu jüngeren Blättern oder zu meristematischen Geweben (generativen Geweben) nicht sehr bedeutend ist, wie unter anderem Studien mit dem Eisenisotop ⁵⁵Fe gezeigt haben. Es wurde festgestellt, dass das in den unteren Blättern enthaltene Eisen für junge, sich entwickelnde Gewebe schlecht verfügbar ist, was dazu führt, dass meristematische Gewebe als erste einen Eisenmangel aufweisen.
Eisenmangel und -überschuss – Symptome.
Ein charakteristisches Symptom von Eisenmangel bei Pflanzen ist Chlorose, die zunächst an den jüngsten Blättern auftritt. Chlorotische Blätter verfärben sich gelblich oder sogar weißlich, was auf einen vollständigen Chlorophyllmangel im Gewebe hinweist. Der Vegetationspunkt stirbt nicht ab, sein Wachstum ist jedoch gehemmt. Ältere Blätter bleiben typischerweise grün oder nur teilweise verfärbt: Entlang der Hauptgefäßbündel bleibt das Gewebe grün, während der Rest der Blattspreite fast hellgrün wird. Es wurde außerdem festgestellt, dass Eisenmangel zu einer Verringerung der CO₂-Assimilation um mehr als die Hälfte, einem Rückgang des Chlorophyll-a-Gehalts um über 80 %, des Chlorophyll-Gehalts um über 85 %, des Carotin-Gehalts um über 70 % und des Xanthophyll-Gehalts um fast 60 % führt. Nach Zugabe von Eisen zum Substrat normalisierte sich die Begrünung nach etwa drei Wochen, wobei die jüngsten Blätter als erste wieder grün wurden. Die zitierten Ergebnisse deuten darauf hin, dass Eisenmangel zu einer allgemeinen Unterentwicklung der Chloroplasten und einer Reduktion des Chlorophyllgehalts führt. Es wird vermutet, dass die Wirkung von Eisen mit der Proteinsynthese zusammenhängt, welche wiederum den Gehalt an Chlorophyllen, Carotinoiden und Xanthophyll bestimmt. Mehrere Forscher haben den Einfluss von Eisen auf die Proteinsynthese untersucht; dabei wurde beobachtet, dass Eisenmangel den Proteingehalt in Pflanzen zugunsten löslicher organischer Stickstoffverbindungen verringert. Darüber hinaus hemmt Eisenmangel spezifisch enzymatische Prozesse, die durch eisenhaltige Metalloenzyme wie Katalase, Peroxidase, Cytochromoxidase und andere katalysiert werden.
Auch Symptome von Eisenüberschuss in Pflanzen sind bekannt. Charakteristisch für Eisenüberschuss ist eine intensive, dunkle Blattfärbung, verbunden mit gehemmtem Pflanzenwachstum und Braunfärbung der Wurzeln. Die CO₂-Assimilation ist dadurch deutlich reduziert.
Physiologische und biochemische Funktionen von Eisen in Pflanzen.
Die biochemischen Funktionen von Eisen in Pflanzen sind eng mit zwei Eigenschaften dieses Metalls verknüpft: seiner Neigung zur Chelatbildung und seiner Fähigkeit, seinen Oxidationszustand zu ändern. Dank dieser Eigenschaften ist Eisen auf vielfältige Weise an den Redox-Stoffwechselprozessen von Pflanzen beteiligt: Es fungiert als Elektronenträger in spezifischen, katalytischen Reaktionen der Atmung und Photosynthese sowie bei der Fixierung von freiem Stickstoff, der Nitratreduktion und anderen Prozessen. Unter den eisenhaltigen Systemen spielt das Cytochromsystem eine aktive Rolle bei der Gewebeoxidation. Es arbeitet mit der Cytochromoxidase zusammen, um Elektronen vom oxidierten Substrat auf molekularen aktivierten Sauerstoff zu übertragen. Unabhängig von Cytochromen agiert das Peroxidasesystem, das unter bestimmten Bedingungen die Funktion einer terminalen Oxidase übernimmt. Darüber hinaus spielt die Peroxidase zusammen mit der Katalase eine wichtige Rolle beim Schutz von Pflanzengeweben vor überschüssigem Peroxid. Bestimmte Eisen-Flavoproteine und andere Verbindungen fungieren ebenfalls als Elektronenträger
in Atmungsprozessen. Ferredoxin, die elektronegativste Komponente des Photosyntheseapparats grüner Pflanzen, spielt eine aktive Rolle als Elektronenträger in der Photosynthese. Cytochrom phi und Cytochrom b6, die zusammen mit Ferredoxin an der zyklischen Phosphorylierung beteiligt sind, wirken ebenfalls als Oxidations- und Reduktionsfaktoren in der Photosynthese. Darüber hinaus wurde aus den Blättern verschiedener Pflanzen ein Komplex aus Eisen und Coenzym A isoliert; es gibt Hinweise darauf, dass dieser Komplex der primäre CO₂-Akzeptor sein könnte. Eisen beeinflusst die Photosynthese auch indirekt; insbesondere wirkt es sich auf die Synthese von Protoporphyrin aus, aus dem anschließend Chlorophyll gebildet wird (bei Eisenmangel sind die Pflanzen vollständig chlorotisch). Allerdings könnte auch die Wirkung von Eisen auf Chlorophyll indirekt sein. Bei der Stickstofffixierung enthält die Nitrogenase, ein Enzym, das molekularen Stickstoff aktiviert, zwei Eisenkomplexe, deren chemische Form noch nicht vollständig aufgeklärt ist, aber in direktem Zusammenhang mit der Nitrogenaseaktivität steht. Auch Ferredoxin ist an der N₂-Fixierung beteiligt. Leghemoglobin, das in den Wurzelknöllchen von Leguminosen (und auch in Nicht-Leguminosen) entdeckt wurde, ist wahrscheinlich nicht direkt an der N₂-Fixierung beteiligt, sondern reguliert lediglich den Sauerstoffzugang zum Bakteroidgewebe. Ferredoxin spielt ebenfalls eine Rolle bei der Nitratreduktion. Das Cytochromsystem ist hingegen wahrscheinlich an der Ionensorption, dem Wachstum und der Wasseraufnahme beteiligt. Ferritin, eine Eisenspeicherverbindung, wurde in Pflanzen nachgewiesen und ist vorwiegend im Tierreich verbreitet. In Pflanzen kommt es hauptsächlich in den Plastiden vor – den Keimblättern nicht keimender Samen.
-Anna Nowotna-Mieczyńska „Physiologie der Mineralstoffernährung von Pflanzen“. PWRiL 1965,
-Lityński T., Jurkowska H „Bodenfruchtbarkeit und Pflanzenernährung“. PWN 1982, Franck B. Salibury, Cleon Ross „Pflanzenphysiologie“. PWRiL 1975,
-Zurzycki J. Michniewicz M. „Pflanzenphysiologie“. PWRiL 1979,
-Diana Walstad „Pflanzen im Aquarium. Ökologie von Wasserpflanzen“. Oriol 2007
Autor: Marcin Kołodziejczyk