Biochemie der Ernährung [Reprint 2011 ed.] 9783110854312, 9783110096057

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Welzl Biochemie der Ernährung

E r m i n Welzl

Biochemie der Ernährung

w Walter de Gruyter DE

G Berlin . New York 1985

Autor Dr. mag. pharm. Ermin Welzl Direktor der Medizinisch-Technischen Schulen des Bundeslandes Tirol Anichstraße 35 A-6020 Innsbruck

CIP-Kurztitelauf nähme der Deutschen Bibliothek Welzl, Ermin: Biochemie der Ernährung / Ermin Welzl. - Berlin ; New York : de Gruyter, 1985. ISBN 3-11-009605

Copyright © 1985 by Walter de Gruyter & Co., Berlin 30. Alle Rechte, insbesondere das Recht der Vervielfältigung und Verbreitung sowie der Übersetzung, vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf in irgendeiner Form (durch Photokopie, Mikrofilm oder ein anderes Verfahren) ohne schriftliche Genehmigung des Verlages reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden. Printed in Germany. Satz und Druck: Appl, Wemding Bindearbeiten: D.Mikolai, Berlin Einbandentwurf: Hansbernd Lindemann, Berlin.

Vorwort

Die stürmische Entwicklung der Naturwissenschaften in den vergangenen Jahrzehnten hatte eine weitgehende Spezialisierung der einzelnen Fachdisziplinen zur Folge, ja sogar innerhalb der einzelnen Fachrichtungen können wir eine Aufspaltung beobachten. Dieses Buch „Biochemie der Ernährung" soll auf keinen Fall den Weg in eine neue Fachrichtung beschreiten, sondern im Gegenteil das umfangreiche Gebiet der Ernährung des Menschen in seinen Zusammenhängen darstellen. Dem Menschen als Endverbraucher einer vielfältigen Nahrungskette werden mit der Nahrung Nährstoffe pflanzlicher und tierischer Herkunft sowie unbedingt notwendige Mineralstoffe (Spurenelemente) angeboten. Entsprechend dieser Grundvorstellung bietet sich als logisches Konzept folgender Aufbau des Buches an. Zuerst werden die biochemischen Vorgänge beim Aufbau der Nahrungsmittel bei Pflanze und Tier sowie die chemische Zusammensetzung der Inhaltsstoffe erläutert. Anschließend wird auf Möglichkeiten, die Nahrungsmittel durch Verfahren und Zusätze zu verbessern und zu konservieren, eingegangen. Den letzten Abschnitt bildet daher die Verwertung der Nahrungsmittel durch den Menschen, also die biochemischen Prozesse im Rahmen der Verdauung. Da der Mensch durch seine Nahrung nicht nur Nährstoffe, sondern auch Schadstoffe aufnimmt, wäre das Buch ohne die Berücksichtigung dieser aktuellen Problematik unvollständig. Das - „Wie werden wir mit den Umweltbelastungen auf dem Lebensmittelsektor fertig, wie entgiften wir in unserem Körper solche Schadstoffe" - ist ein integrierter Bestandteil der Verdauung und des Stoffwechsels. Dieses Buch ist für Ernährungsmediziner und Diätassistenten gedacht. Studierenden der Sozialmedizin, Bodenkultur, Veterinärmedizin, Pharmazie, Lebensmittelchemie und Biologie soll es jene Zusammenhänge vermitteln, die in der einschlägigen Literatur meistens nicht mehr berücksichtigt werden. Die gelegentlich notwendigen botanischen und mikrobiologischen Kenntnisse werden dem Leser im Hauptteil des Buches, jeweils bei den entsprechenden Kapiteln, nahegebracht. Dem Verlag Walter de Gruyter danke ich in mehrfacher Weise, insbesondere Herrn Dr. Rudolf Weber für Anregungen und Herrn Lutz-Henning Stehr für die angenehme Zusammenarbeit und für die sorgfältige Drucklegung. Innsbruck, im Sommer 1985

Ermin Welzl

Maßeinheiten (Systeme International d'Unites)

Größe

Einheit

Zeichen

Länge Masse Zeit Stromstärke Temperatur Stoffmenge

Meter Kilogramm Sekunde Ampere Kelvin Mol

m kg s A Κ mol

Größe

Einheit

Zeichen

Umrechnung in ältere Einheit

Kraft Druck

Newton Pascal

Ν Pa

1 kp 1 Pa

Bar

bar

1 atm 1 mmHg

=9,81 Ν = 9,869 ·10" 6 atm = 0,0075 Torr = 1,013 bar = 1,332 mbar

Joule

J

lcal

= 4,187 J

Energie Wärmemenge Arbeit

> J

Konzentrationsmaße Konzentrationsangabe

Erklärung

Molarität (M)

Anzahl der Mole Gelöstes pro Liter Lösung [mol • 1

Normalität (N)

Anzahl der Äquivalente Gelöstes pro Liter Lösung [val · 1 - 1 ]

Volumenprozent (Vol-%, v/v*)

Anzahl der Milliliter Gas oder Flüssigkeit, die in 100 ml Lösung enthalten sind

Massenprozent (%, w/w*)

Anzahl der Gramm Gelöstes, die in 100 g Lösung enthalten sind

Milligramm-Prozent (mg-%)

Anzahl der Milligramm Gelöstes in 100 g Lösung

parts per million (ppm)

Anzahl der Teilchen Α auf 106 Teilchen Α + Β + C + ..., 1 ppm = 10~4%

parts per billion (ppb)

Anzahl der Teilchen Α auf 109 Teilchen A + Β + C + ..., l p p b = 10" 7 %

Teile und Vielfache 10" 12 1(T 9

Pico Nano

ρ η

10" 6 10" 3

Mikro Milli

μ m

103 106

Kilo Mega

k Μ

Inhaltsverzeichnis

1

Ernährung - Allgemeines

1

2

Pflanzliche Nahrungsmittel

5

2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.2.1

Kohlenhydrate: Assimilation - Assimilationsprodukte 6 Photosynthese 6 Kohlenhydrate 13 Monosaccharide 14 Chemisches Verhalten der Monosaccharide 16 a) Reduzierende Wirkung 16 b) Epimerisation 16 c) Halbacetalbildung 16 d) Glykosidische Bindung 18 e) Oxidation von Monosacchariden 20 Monosaccharide - Zusammenstellung 21 Monosaccharide als Nahrungsmittel 24 a) Stärkehydrolysate 24 b) Invertzucker 25 c) Bienenhonig 25 Von Monosacchariden abgeleitete, mehrwertige Alkohole 27 a) Hexite 27 b) Pentite 28 c) Cyclite 29 2.1.2.2 Di-und Oligosaccharide 31 Disaccharide 31 Oligosaccharide 35 2.1.2.3 Polysaccharide 37 Speicherstoffe der Pflanzen als Nahrungsmittel 38 a) Stärke 38 b) Dextrine 42 c) Dextrane 42 d) Glykogen 42 d) Inulin 42 Gerüstsubstanzen der Pflanzen - Ballaststoffe der Nahrungsmittel . . 43 a) Cellulose 43 b) Hemicellulose 45 Füllstoffe der Pflanzen - Gelierende Nahrungsmittel 46 a) Pektine 46

VIII

2.1.3

b) Schleimstoffe von Meeresalgen Pflanzengummi Chemosynthese

2.2 Proteine: Assimilation-Assimilationsprodukte 2.2.1 Aufnahme und Transport der Nährsalze 2.2.2 Bildung stickstoffhaltiger Pflanzennährsalze 2.2.2.1 Bildung von Stickstoffoxiden aus Luftstickstoff durch elektrische Entladung 2.2.2.2 Bindung des Luftstickstoffs durch Bakterien und Pilze 2.2.2.3 Verarbeitung von Nitraten über den Pflanzenstoffwechsel Reduktive Aminierung Transaminierung Andere Stickstoff übertragende und speichernde Systeme a) Das Glutamin, eine NH 2 -Gruppen übertragende Verbindung . . . b) Bildung von Alkaloiden als Stickstoffspeicher c) Bildung von Harnstoff als Stickstoffspeicher d) Pyrimidinsynthese 2.2.3 Proteine - Eiweiße 2.2.3.1 Aufbau von Proteinen aus Aminosäuren 2.2.3.2 Proteine - Übersicht 2.2.3.3 Pflanzliches Eiweiß als Nahrungsmittel 2.2.4 Proteide 2.2.4.1 Nucleoproteide 2.2.4.2 Aufbau von Nucleinsäuren 2.2.4.3 Reduplikation und Informationsübertragung 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.2.1 2.3.2.2 2.3.2.3

Fette: Assimilation - Assimilationsprodukte Assimilation von Fetten aus Kohlenhydraten Fette und Öle Zusammensetzung der Fette Fettgewinnung Physikalisch-chemische Eigenschaften der Fette a) Physikalische Eigenschaften b) Chemische Eigenschaften 2.3.2.4 Fette und Öle - Überblick 2.3.2.5 Fetthärtung 2.3.3 Lipide

2.4 Dissimilation 2.4.1 Aerobe Atmung 2.4.1.1 Kohlenhydratabbau Glykolyse Pentosephosphat-Weg

48 50 52 53 53 57 57 58 60 61 61 63 63 63 66 67 69 69 73 74 75 76 76 78 84 84 89 90 91 91 91 92 93 96 96 98 98 100 101 103

IX 2.4.1.2 2.4.1.3 2.4.1.4 2.4.1.5 2.4.1.6 2.4.2 2.4.2.1 2.4.2.2 2.4.2.3

Fettabbau Eiweißabbau Nucleinsäureabbau Citronensäurecyclus, Tricarbonsäurecyclus (TCC) Atmungskette Gärung Alkoholische Gärung Milchsäuregärung Buttersäuregärung

104 104 106 109 112 114 115 116 118

2.5 2.5.1 2.5.2 2.5.3 2.5.4

Sekundäre Pflanzeninhaltstoffe C 2 -Baustein - Aktivierte Essigsäure C 5 -Baustein - Aktives Isopren C 9 -Baustein - Phenylpropan Pflanzeninhaltsstoffe mit gemischtem Bauprinzip

120 121 122 126 129

3

Böden, Dünger, Pflanzenhormone, Biocide

131

3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.2.1

Böden Bildung der Böden Zusammensetzung der Böden Mineralische Bodenbestandteile Magmatische Gesteine Absatz- bzw. Sedimentgesteine a) Mechanische Sedimente b) Chemische Sedimente c) Organische Sedimente Umwandlungsgesteine 3.1.2.2 Nichtmineralische Bodenbestandteile 3.1.2.3 Humus

131 131 132 132 132 135 135 135 136 137 137 140

3.2 3.2.1 3.2.2

Düngung Nährstoffbedarf der Pflanzen Dünger

141 141 142

3.3 3.3.1

Pflanzenhormone Funktion a) Die Zellstreckung b) Die Zellteilung c) Die Zelldifferenzierung Pflanzenwuchsstoffe Wachstumshemmstoffe Anwendung von Phytohormonen Übersicht über Wuchs-und Hemmstoffe

147 147 147 148 148 149 150 151 154

3.3.2 3.3.3 3.3.4 3.3.5

χ 3.4

3.4.3 3.4.3.1 3.4.3.2 3.4.3.3 3.4.3.4 3.4.3.5 3.4.3.6 3.4.3.7 3.4.3.8

Biocide - Schädlingsbekämpfungsmittel Allgemeines Einteilung und Beschreibung der Biocide Insekticide Natürliche Insekticide Synthetische Insekticide Chlorkohlenwasserstoff-Insekticide Phosphorsäureester-Insekticide Carbamat-Insekticide Zusammenstellung der handelsüblichen Biocide Insekticide Rodenticide Acaricide und Ovicide Acaricide und Fungicide Fungicide Nematicide Molluscicide Herbicide

158 158 160 161 161 163 163 164 165 166 166 170 170 171 172 172 173 173

4

Pilze

175

4.1

Vermehrung der Pilze

176

4.2

Pilze als Nahrungs-und Futtermittel

177

4.3

Pilzgifte - Mykotoxine

179

4.3.1 4.3.2

Gifte höherer Pilze Gifte niederer Pilze

179 182

5

Tierische Nahrungsmittel

187

5.1 5.1.1 5.1.1.1 5.1.1.2 5.1.2 5.1.2.1 5.1.2.2 5.1.2.3

Tierhaltung zum Zwecke der Ernährung Ernährung und Verdauung bei Tieren Verdauung beim Rind Verdauung beim Huhn Tierfütterung Energieträger Vitamine und Mineralstoffe Andere Futtermittelzusätze

187 188 189 192 193 193 194 196

5.2 5.2.1

Nahrungsmittel tierischer Herkunft Fleisch Muskelgewebe Binde- und Stützgewebe

199 199 200 202

3.4.1 3.4.2 3.4.2.1 3.4.2.2

5.2.2

XI 5.2.3 Knochen und Knochengewebe 5.2.4 Fett und Fettgewebe 5.2.5 Milch und Milchprodukte 5.2.5.1 Bestandteile der Milch 5.2.5.2 Gerinnung der Milch 5.2.5.3 Milchprodukte Käse Butter 5.2.6 Eier 5.2.6.1 Eiklar 5.2.6.2 Eidotter 5.2.6.3 Eihäutchen und Eierschale

204 206 207 207 208 209 209 212 214 214 214 215

5.3

Nährwert der Nahrungsmittel und biologische Wertigkeit

215

6

Essentielle Nahrungsbestandteile

217

6.1 6.1.1 6.1.1.1 6.1.1.2 6.1.1.3 6.1.1.4 6.1.2 6.1.2.1 6.1.2.2 6.1.2.3 6.1.2.4 6.1.2.5 6.1.2.6 6.1.2.7 6.1.2.8 6.1.2.9

Vitamine Fettlösliche Vitamine Carotin (Provitamin A) und Vitamin A Vitamin D Vitamin Ε Vitamin Κ Wasserlösliche Vitamine Vitamin B! (Thiamin, Aneurin) Vitamin B2 Nicotinsäureamid (Nicotinamid) Folsäure (Pteroylglutaminsäure) Pantothensäure Vitamin B6 (Pyridoxin, Adermin) Vitamin-B 12 -Gruppe (Cobalamine, Corrine) Vitamin C (L-Ascorbinsäure) Biotin

217 218 218 219 221 224 225 225 226 227 229 230 231 232 234 236

6.2

Essentielle Aminosäuren

238

6.3

Essentielle Fettsäuren - Prostaglandine

239

6.4

Spurenelemente

240

7

Getränke

245

7.1 7.1.1 7.1.2

Alkoholische Getränke Weine Bier

245 245 246

XII 7.2 7.2.1 7.2.2 7.2.3 7.2.4 7.2.5 7.2.6

Alkoholfreie Getränke Tafelwässer, Mineralwässer Obstsüßmoste, Fruchtsäfte, Fruchtnektar Fruchtsaftgetränke, Limonaden, Kunstbrausen Tee Kaffee Kakao

249 249 250 252 252 254 256

8

Gewürze

259

8.1

Allgemeines

259

8.2

Gewürze pflanzlicher Herkunft

259

8.3

Mineralische Gewürze - Fleischextrakte

279

8.4

Süßstoffe

281

9

Lebensmittelfarben und -farbstoffe

285

9.1 9.1.1 9.1.2

Allgemeines Definition von Farbe und Farbstoff Chemische Konstitution und Farbigkeit

285 285 286

9.2 9.2.1 9.2.2 9.2.3 9.2.3.1 9.2.3.2 9.2.3.3

Natürliche Farben und Farbstoffe in Lebensmitteln Carotinoide Anthocyane - Anthocyanidine Porphinfarbstoffe Häm - Myoglobin - Hämoglobin Chlorophyll Benzochinonfarbstoffe

288 289 291 293 293 294 295

9.3 9.3.1 9.3.2 9.3.3

Künstliche Farben und Farbstoffe in Lebensmitteln Azofarbstoffe Triphenylmethanfarbstoffe Anthrachinonfarbstoffe

296 297 299 300

10

Konservierung der Nahrungsmittel

303

10.1 Konservierung gegen Bakterien und Pilzbefall 303 10.1.1 Physikalische Konservierungsmethoden 305 10.1.1.1 Sterilisation (Vollentkeimung) 305 a) Sterilisation durch feuchte Hitze = strömenden Wasserdampf . . . 305 b) Sterilisation durch trockene Hitze 306 c) Sterilisation durch Ultrafiltration 306 d) Sterilisation durch Gammastrahlen, Kathodenstrahlen, UV-Strahlen 306

XIII 10.1.1.2 Teilentkeimung a) Pasteurisieren b) Konservieren durch Trocknung c) Konservierung durch Kälte, Tiefkühlen, Schockfrosten 10.1.2 Chemische Konservierungsmethoden 10.1.2.1 Konservierung durch Salzen und Zuckern 10.1.2.2 Konservierung durch Säuren 10.1.2.3 Konservierung durch Räuchern 10.1.2.4 Konservierung durch Benzoesäure und Derivate 10.1.2.5 Konservierung durch andere Konservierungsmittel

306 306 307 307 308 308 309 309 310 311

10.2

Konservierung gegen physikalische und chemische Veränderungen der Lebensmittel 312

10.3

Gesetzliche Regelungen

11

Verwertung der Nahrungsmittel durch den menschlichen Organismus

11.1 11.1.1 11.1.2

11.1.2.4

Verdauung Allgemeines Verdauungsvorgänge in den einzelnen Abschnitten des Verdauungstraktes Mund - Speichel Magen - Magensaft a) Bildung des Magensaftes b) Funktionsweise des Magensaftes c) Bestandteile des Magensaftes Dünndarm a) Gallensaft b) Pankreassaft Dickdarm

317 317 319 319 320 321 324 324 327 332

11.2 11.2.1 11.2.2

Resorption der Nahrungsspaltprodukte Passiver Transport Aktiver Transport

335 335 335

11.3

Transport der Nährstoffe im Blut

337

11.4 11.4.1 11.4.2 11.4.2.1 11.4.2.2 11.4.3

Stoffwechsel Intermediärstoffwechsel Mineralstoffwechsel Wasserhaushalt Aufgabe und Bedeutung der Elektrolyte, Ionenverteilung Nierenfunktion - Harn

337 337 337 338 339 342

11.1.2.1 11.1.2.2

11.1.2.3

313 .317 317 317

XIV 12

Lebensmittelgifte - Schadstoffe - Entgiftungsmechanismen

345

12.1

Allgemeines

345

12.2

Gruppen von Schadstoffen

346

12.3

Die Nahrungskette

346

12.4 12.4.1 12.4.2 12.4.3 12.4.4 12.4.5 12.4.6 12.4.7 12.4.8 12.4.9

Entgiftungsmechanismen Hydrolytische Spaltung - Hydrolyse Oxidation und Hydroxylierung Reduktion Alkylierung - Methylierung Acetylierung Konjugatbildung Amidsynthese Mercaptursäurebildung Komplexe Bindung von Schwermetallen

349 351 351 353 353 354 354 355 355 356

13

Katalysatoren

359

13.1 13.2 13.3 13.4 13.4.1 13.4.2 13.4.3

Allgemeines Biochemische Katalysatoren - Enzyme bzw. Fermente Einteilung der Enzyme Die wichtigsten Coenzyme und ihre Wirkung Oxidoreduktasen Energiereiche Coenzyme Gruppenübertragende Coenzyme

359 360 361 362 362 363 365

14

Sachregister

367

1 Ernährung - Allgemeines

Die Ernährungsweise des Menschen hat sich im Laufe der Geschichte mannigfaltig verändert. Der technische und zivilisatorische Fortschritt des letzten Jahrhunderts beeinflußte unsere Lebensgewohnheiten und mit ihnen unsere Ernährung stärker als dies je zuvor der Fall war. Der Geschmack verfeinerte sich, die Ansprüche an die verschiedenen Lebensmittel wurden immer größer. Gemüse und Obst aus fernen Ländern werden importiert, tiefgefrorenes Fleisch aus Übersee findet sich immer häufiger in unserem Nahrungsangebot. Außerdem werden viele Lebensmittel durch zusätzliches Färben und Bleichen sowie durch Geschmackskorrigentien unseren Vorstellungen entsprechend „geschönt". Möchten wir über das ganze Jahr mit der gewohnten Fülle von Lebensmitteln in einwandfreiem Zustande versorgt werden, müssen wir ferner Düngemittel, Insekticide, Fungicide, Masthilfen und Konservierungsmittel in Kauf nehmen. Wir sehen, ehe die Nahrungsmittel, welche die Natur uns bereitstellt, den Konsumenten erreichen, sind diese bereits mit Zusatzstoffen, Pesticidrückständen und anderen Schadstoffen reichlich belastet. Nahrungsmittel. Unter Nahrungsmitteln werden ganz allgemein Produkte pflanzlicher oder tierischer Herkunft unterschiedlicher Art verstanden, die vom Menschen zum Zwecke der Ernährung verzehrt werden. Nahrungsmittel enthalten im wesentlichen Kohlenhydrate, Eiweiß und Fette, sowie Färb-, Geruch- und Aromastoffe. Mit der Nahrung müssen außerdem noch andere lebensnotwendige Substanzen wie die biokatalytisch wirkenden Vitamine, essentielle Aminosäuren und Fettsäuren, sowie Mineralsalze und Spurenelemente aufgenommen werden. Grundlage des Aufbaues aller Nährstoffe ist die Fähigkeit der Pflanzen, unter Einwirkung von Sonnenlicht aus dem Kohlendioxid der Luft und Wasser Kohlenhydrate zu bilden. Für den Aufbau von Eiweiß durch die Pflanze ist außer der Assimilation von Kohlenhydraten noch die Aufnahme stickstoff-, schwefel- und phosphorhaltiger Salze aus dem Boden erforderlich. Unter Einwirkung entsprechender Enzyme kann die Pflanze aus Produkten des Kohlenhydratabbaues auch Fett synthetisieren. Pflanzen sind somit imstande, aus energiearmen, anorganischen Materialien energiereiche organische Verbindungen aufzubauen. Diese können im Rahmen von Dissimilationsvorgängen zerlegt bzw. veratmet werden. Die dadurch frei werdende Energie wird als Wärme, mechanische Energie (Bewegung, Wachstum), chemische Energie (Stoffwechselreaktionen), osmotische Energie usw. benötigt. Pflanzen werden von Menschen und Tieren als Nahrung verzehrt. Im Rahmen der Verdauung wird die Nahrung zerkleinert und letztlich wieder in ihre Bestandteile (Monosaccharide, Aminosäuren und Fettsäuren) zerlegt. Diese werden resor-

2 1 Ernährung - Allgemeines biert und den entsprechenden Körperzellen zugeführt, in denen aus niedermolekularen Bausteinen hochmolekulare Zellbestandteile aufgebaut werden. Energiebilanz. Die vom Menschen aufgenommene Nahrung wird zum Aufbau körpereigener Substanzen und zur Energiegewinnung für die verschiedenen Lebensvorgänge benötigt. Bei jeder Energieformung wird jedoch ein gewisser Energieanteil in Wärme umgesetzt, die letztlich an die Umgebung verloren geht, d. h. die von unserem Körper aufgebauten Substanzen enthalten weniger Energie als ursprünglich in unserer Nahrung enthalten war. Bei einer Nahrungskette, wie sie uns Menschen als Endverbraucher meist vorangeht, nimmt die in der Nahrungskette weitergegebene Energiemenge ab. Für den Energiefluß gilt als Faustregel, daß von Stufe zu Stufe der Energiebetrag jeweils auf Mo des vorherigen Betrages sinkt. Direkte pflanzliche Ernährung ist somit energetisch günstiger, während eine lange Nahrungskette mit größeren Energieverlusten verbunden ist. Vom Standpunkt der Energiegewinnung ist die Fleischnahrung besonders aufwendig. Eine ausreichende Versorgung der Bevölkerung mit Fleisch erfordert daher eine Vervielfachung der landwirtschaftlichen Nutzfläche oder einen durch Düngung gesteigerten Ernteertrag. Aus diesen Überlegungen verstehen wir, warum Völker der Dritten Welt sich vorwiegend pflanzlich ernähren. Nutztiere würden den größten Teil der pflanzlichen Biomasse selbst verbrauchen. Allerdings besteht bei ausschließlich pflanzlicher Ernährung das Problem der Eiweißunterversorgung und hierin ein schwerwiegendes Problem der Welternährung. Kreislauf der Elemente. Die Elemente, aus denen die Nährstoffe aufgebaut sind, durchlaufen über die Nahrungskette ein Kreissystem, in dem sie über Ausscheidung und Mineralisierung in den abiotischen Bereich gelangen und von dort erneut vielfach über den Stoffwechsel von Mikroorganismen, von höheren Lebewesen, meist Pflanzen, wieder aufgenommen werden. Als Beispiel wollen wir den Kreislauf des Elementes Kohlenstoff verfolgen (Abb. 1-1). Greift der Mensch in solche Ökosysteme ein, so wird, wie die mitteleuropäische Kulturlandschaft durch nahezu 2 000 Jahre zeigt, bei einer sinnvollen Nutzung die Umwelt kaum geschädigt. Die moderne Zivilisation mit ihrer maschinell betriebenen Landwirtschaft, der intensiven Erschließung kohlenstoffhaltiger Energie- und Rohstoffquellen scheint einen verhängnisvollen Weg zu beschreiten, der viele naturnahe Ökosysteme zerstören wird. Solche ökologischen Probleme sind jedoch mit unserer Ernährung eng verknüpft. Der Mensch von heute ist sich aber häufig nicht mehr bewußt, daß er hinsichtlich seiner Ernährung mitten in der Natur steht und zwar sowohl was die Herkunft der Nahrungsmittel als auch deren Verwertung betrifft. Chemische Begleitsubstanzen in der Nahrung. Mit pflanzlichen und tierischen Nahrungsmitteln nimmt der Mensch nicht nur die für die Ernährung notwendigen Substanzen auf, es gelangen auch Rückstände aus der chemischen Schädlingsbekämpfung, von Düngemitteln und Masthilfen in unsere Nahrung. Der Ruf nach Rückkehr zur naturbelassenen Ernährung wird laut. Für eine solche Kehrtwendung ist jedoch mittlerweile die Erdbevölkerung zu hoch. Rechnet man für jeden

1 Ernährung - Allgemeines Mineralisation (Carbonate)

Τ t

Vulkanismus

Verwitterung

CO,

co2

Licht

H|0

Gärung von Pflanzenresten

C02

I

Kohlendioxid

Photosynth.

C02

Π

HjO

Atmung

der Grünpflanzen

3

Pflanzen, Tiere, Bakterien

•"

Energie

____o2_e CO, Kohlenhydrate

Brennstoffe

Fossilierung Erdöl, Kohle

Abb. l - l : Kohlenstoffkreislauf in der Natur.

Menschen bei bescheidenen Ansprüchen an seine Ernährung eine notwendige Agrarfläche von 0,5 Hektar, so wird im Jahre 2000 bei schätzungsweise 7 Milliarden Menschen eine viel zu geringe, wirtschaftlich nutzbare Fläche zur Verfügung stehen. Man erkennt, daß man ohne chemische Hilfsmittel, sei es bei der Düngung oder der Mästung, nicht mehr auskommt. Ausgesprochen problematisch sind in den Nahrungsmitteln toxische Restchemikalien aus Industrieabwässern, die über die Nahrungskette Pflanze - Tier Mensch aufgenommen werden. So wurden ζ. B. aus quecksilberhaltigen Industrieabwässern an der japanischen Küste Quecksilberverbindungen von den Algen aufgenommen und in deren Zellen zu fettlöslichen, organischen Quecksilberverbindungen umgebaut. Diese Algen werden von algenfressenden Kleinkrebsen verzehrt, die Krebschen in der Folge von kleinen Fischen gefressen, jene wiederum von größeren und großen gefressen bis letztere schließlich vom Menschen zum Zwecke der Ernährung gefangen werden. Da jedes dieser Tiere ein Vielfaches des eigenen Körpergewichtes an Nahrung aufnimmt, kommt es zur Kumulierung dieser Gifte. Biotransformation im menschlichen Körper. Nach der Resorption der vielfältigen Nahrungsspaltprodukte durch den Verdauungstrakt werden die Substanzen über den Blutweg im Körper verteilt. Diese Verteilung erfolgt hauptsächlich auf osmotischem Wege. Viele von ihnen werden an das Serumeiweiß gebunden und transportiert, andere durchdringen Zellmembranen, wieder andere bilden Ionen und Dipole aus, so daß auch elektrische Ladungen und damit verbunden Adsorptionen beim Transport eine Rolle spielen. Relativ rasch nach dem Auftreten der Stoffwechselprodukte im Blut werden toxische oder nicht verwertbare Verbindungen über die Nieren (renal) ausgeschieden. Das Maximum der Ausscheidung wird bereits etwa 2 Stunden nach der Nahrungsaufnahme erreicht. Vielfach erfahren jedoch solche Substanzen im Stoff-

4

1 Ernährung - Allgemeines

wechselgeschehen eine chemische Umwandlung, eine sog. Biotransformation, ehe sie über den Harnweg ausgeschieden werden. In diesen Fällen kann sich die Ausscheidung über Stunden und sogar Tage erstrecken. Bei der Biotransformation der unerwünschten Nahrungssubstanzen ist unser Körper bestrebt, durch Oxidationsund Reduktionsvorgänge oder durch Hydrolyse, Acetylierung oder Konjugatbildung aus schwer wasserlöslichen Rest- und Giftstoffen leicht wasserlösliche Ausscheidungsprodukte zu schaffen. Bei manchen Substanzen, wie ζ. B. bei chlorierten Kohlenwasserstoffen, gelingen derartige Transformationen nicht oder nur teilweise. In solchen Fällen werden die lipophilen Restsubstanzen im Depotfett unseres Körpers abgelagert. Hierin liegt die Gefahr von vielen Insektizidrückständen, daß sie nämlich im tierischen Fett gespeichert und kumuliert werden. Auch die Rückstände von toxischen Schwermetallen in unserer Nahrung können durch einen Speichermechanismus, d.h. durch komplexe Bindungen an gewisse Eiweißfraktionen in unserem Körper, der gewünschten renalen Ausscheidung entzogen werden.

2 Pflanzliche Nahrungsmittel

Die Analyse von Pflanzenmaterial ergibt hauptsächlich Wasser und die in der Folge angeführten Elemente. Für die Elementaranalyse wird das getrocknete Pflanzengut verbrannt, die Elemente C, Η, Ο entweichen als C 0 2 und H 2 0 , Stickstoff bildet gasförmiges NH 3 , Schwefel S0 2 -Gas. Zurück bleiben im Aschenmaterial die Mineralstoffe in Form von Oxiden, Phosphaten, etc. (Näheres über Elementaranalyse siehe einschlägige Literatur der Chemie). 1. C, Η, Ο, Ν, S, Ρ: Sie sind Bestandteile organischer Pflanzenstoffe wie Kohlenhydrate, Fette, Eiweiß, Nucleoproteide, Phosphatide, Terpene, Pflanzenfarben, Vitamine, Alkaloide, Alkohole, Aldehyde, organische Säuren. 2. K, Mg, Ca, Fe, P, S, N, C, Ο, H: Diese Elemente liegen als Kationen und Anionen in wäßriger Lösung verteilt vor. Diese Ionen sind verantwortlich für den osmotischen Druck in den Gefäßsystemen der Pflanze. Außerdem sind sie zur Stabilisierung des pH-Wertes der Pflanzensäfte als Puffersysteme von Bedeutung. N, S, P-haltige Salze werden zum Aufbau organischer Verbindungen wie ζ. B. den Proteinen verwendet. Fe und Mg sind zur Bildung des Chorophyllfarbstoffes unentbehrlich. 3. Außer diesen Elementen finden sich noch in geringen Mengen die Elemente B, Al, Mn, Mo, Zn, Cu; sie werden Spurenelemente genannt. Ihnen kommt eine katalytische Bedeutung im Stoffwechselgeschehen der Pflanze zu. Das Fehlen der oben angeführten Elemente führt zu Störungen im Pflanzenstoffwechsel mit ausgeprägten Krankheitserscheinungen. So führt ζ. B. Eisenmangel zur Chlorose, Manganmangel zur sog. Dörrfleckenkrankheit des Hafers, Bormangel zur Herz- und Trockenfäule bei Zuckerrüben, Kupfermangel zur sog. Heidemoorkrankheit. 4. Die Elemente Na, Cl, Si kommen zwar in allen Pflanzen mehr oder weniger vor, sind für diese aber nicht lebensnotwendig, d. h. sie können in größeren Mengen gespeichert werden, aber auch ohne Schaden gänzlich fehlen. Nur für Meerespflanzen, die sog. Halophyten, sind N a + und Cl~-Ionen unentbehrlich, während für Landpflanzen zu große Mengen von N a + und Cl" sogar schädlich sein können. Assimilation - Dissimilation Die Physiologie des Pflanzenstoffwechsels und damit verbunden die Bildung von Speicherstoffen wie Kohlenhydrate, Fette und Eiweiße, welche zur Ernährung des Menschen von großer Bedeutung sind, ist durch die Assimilation (Aufbau energie-

6

2 Pflanzliche Nahrungsmittel

reicher Verbindungen) und die Dissimilation (Abbau der genannten Stoffe zum Energiegewinn in Form von Wärme oder zum Aufbau anderer energiereicher Verbindungen) geprägt. Assimilation - Assimilation von Kohlenhydraten aus Kohlendioxid, Wasser und Energie. a) Photosynthese mit Lichtenergie. b) Chemosynthese mit Oxidationsenergie. - Assimilation der Eiweiße aus Kohlenhydraten und anorganischen N-, S-, PVerbindungen. - Assimilation von Fetten aus Kohlenhydraten. Dissimilation - Atmung, d. h. oxidativer Abbau zu Kohlendioxid, Wasser und Energie. a) Aerober Abbau der Kohlenhydrate, gewöhnliche Atmung. b) Aerober Abbau von Fett. c) Aerober Abbau von Eiweiß (nur bei Hungerzuständen), außergewöhnliche Atmung. d) Aerober Abbau von Nucleinsäuren. - Gärung, auch intramolekulare Atmung, ein anaerober Abbau mit relativ geringem Energiegewinn. In der Folge werden die einzelnen Vorgänge des Pflanzenstoffwechsels besprochen und jeweils anschließend die daraus abgeleiteten Substanzen, welche für die Ernährung des Menschen von Bedeutung sind, zusammengestellt.

2.1 Kohlenhydrate: Assimilation Assimilationsprodukte 2.1.1 Photosynthese Die Pflanzenzellen bestehen aus Zellkern, Plasma und darin eingelagerten Plastiden. In jungen Zellen sind die Piastiden farblos, sog. Leukoplasten, erst später werden daraus Chromatophoren. Von diesen Chromatophoren kennen wir Chloroplasten und Chromoplasten. In den Chloroplasten erfolgt die Photosynthese. Ein Chloroplast (Abb. 2-1) besteht aus einer Doppelmembran. Die innere Membran bildet Thylakoide aus, diese werden zu Grana gestapelt. Solche Thylakoidstapel enthalten die Farbstoffe und Enzyme der Lichtreaktion, während die Matrix des Chloroplasten, sog. Stroma, die Enzyme der Dunkelreaktion enthält. Der Längsdurchmesser eines Chloroplasten mißt etwa 5-6 μνα. Eine Pflanzenzelle enthält mehrere hundert Chloroplasten eingelagert. Chloroplasten enthalten die Farbstoffe Chlorphyll a und b, sowie Carotin und Xanthophyll (Abb. 2-2).

2.1 Kohlenhydrate: Assimilation - Assimilationsprodukte

7

Chloroplastenhülle

Abb. 2-1: Schema des Chloroplastenaufbaues (nach Berkaloff). In die Membranen der Thylakoide sind Chlorophyll und Enzyme eingelagert. Nach Gestalt der Thylakoide unterscheidet man vesikuläre, d. h. bläschenartige, tubuläre und lamelläre Formen.

Abb. 2-2: Chromatogramm eines Blattfarbstoffes, (stark schematisiert). Laufmittel: Benzol, Laufzeit: 2 Stunden, Papier: Schleicher & Schüll 2043b

Die Chromoplasten besitzen zum Unterschied von den Chloroplasten nur gelbe und rote Carotinfarbstoffe, nämlich die isomeren a-, ß- und χ-Carotine. Beide, Chloroplasten und Chromoplasten, finden sich in Blättern und Früchten, wobei Leukoplasten in grüne Chloroplasten (Ergrünen von jungen Trieben) und weiter in gelbe und rote Chromoplasten (Reifung des Obstes) übergehen.

8

2 Pflanzliche Nahrungsmittel

2 ^MDPLichtreaktion

•KH

HA dp Dunkelreaktion

Abb. 2 - 3 : Vereinfachtes Schema der Photosynthese. Die Lichtreaktion der Photosynthese liefert den Wasserstoff und die Energie für die Dunkelreaktion. Das Wasserstoff übertragende System ist N A D P / N A D P H 2 , der Energielieferant das System A T P / A D P . Bei der Dunkelreaktion werden aus C 0 2 , Wasserstoff u. Energie Kohlenhydrate aufgebaut.

Chlorophyll a und b absorbieren den roten Lichtanteil, dessen Energie in der Folge zur Reduktion des Kohlendioxids benötigt wird, während Carotin und Xanthophyll den blaugrünen Anteil absorbieren und diese Energie zum Aufbau des Enzymsystems der Photosynthese bereitstellen. In den Chloroplasten erfolgt nun, wie erwähnt, die Photosynthese, bei der aus Kohlendioxid, Wasser und Sonnenlicht Kohlenhydrate und Sauerstoff gebildet werden. Der Vorgang kann summarisch folgendermaßen wiedergegeben werden: 6C0 2 +6H 2 0

«-C6Hl206 + 602 aG=+28KKI]

Zweckmäßig unterteilt man die Photosynthese in zwei Reaktionsabschnitte (Abb. 2-3), und zwar: a) Die Lichtreaktion 1. Umformung der Lichtenergie in chemische Energie, die von ATP1, einem phosphorsäurehaltigen Coenzym, gespeichert wird. Wir sprechen von Photophosphorylierung. 2. Bildung des Coenzyms NADPH 2 2 mit hoher reduzierender Wirkung durch Spaltung von Wasser mittels chemischer Energie, sogenannte Photolyse. b) Sekundär- oder Dunkelreaktion Fixierung des Kohlendioxids und seine anschließende Reduktion zu Kohlenhydraten. Die

Lichtreaktion

In den Chloroplasten gibt es zwei einander ähnliche Pigmentsysteme, welche das einfallende Licht in chemische Energie umwandeln, sie werden System I und System II genannt. Jedes dieser Systeme enthält die Chlorophyllkomponenten a und b, der Unterschied zwischen den beiden Systemen liegt im unterschiedlichen Reduktionsvermögen. Die Absorption der Lichtquanten löst einen bestimmten Elektronentransportmechanismus aus, der über Ferredoxin (ein Eisenproteinkomplex) und Plastochinon (ein Chinonredoxsystem) und weiter über Cytochrome, spez. 1 2

ATP=Adenosintriphosphat Ν A D P H 2 = Reduzierte Form von Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid-Phosphat

2.1 Kohlenhydrate: Assimilation - Assimilationsprodukte

9

Cytochrom f, läuft, bis die Energie durch ein ADP-ATP System gespeichert wird. Bei diesen als Photophosphorylierung bezeichneten Vorgängen sind noch andere Redoxsysteme beteiligt, eine vollständige Aufklärung des komplizierten Chemismus steht noch aus. Als Beispiel seien das Plastochinonsystem und das Cytochrom c formelmäßig wiedergegeben. Plastochinon ( n=9 )

Plastohydrochinon ( η=9)

Cytochrome c

Porphin

HC-

= CH

NH

HC-

HN

A

-CH

nach Karlson)

Cytochrom f ist dem Cytochrom c weitgehend ähnlich. Der Eiweißteil des Cytochrom f ist chemisch noch nicht genau definiert. Cytochrome sind Porphinderivate, die im Stande sind, durch Wertigkeitswechsel des zentral gebundenen Eisenions Elektronen aufzunehmen und abzugeben. Cytochrome finden sich in fast allen Zellen des Tier- und Pflanzenreiches. Sie sind die wichtigsten Enzyme der Zellatmung. Auf Grund verschiedener Lichtabsorption wurden die Cytochromvarianten a, b, c mit ihren Untergruppen a u b t und c t etc. entdeckt. Cytochrome unterscheiden sich durch ihre verschiedenen Eiweißkomponenten, dementsprechend schwankt die relative Molekularmasse zwischen 12000 (Cytochrom c) und 37000 (Cytochrom c,). Der allen Cytochromen gemeinsame Porphinring enthält beim Cytochrom c zwei Vinylgruppen, an welche über die HS-Gruppen der Cysteinbestandteile der Eiweißteil gebunden ist: r~CH2 Protein-Cystein-SH II 1 —»CH

CH 3 Protein-Cystein-S-C Η

10

2 Pflanzliche Nahrungsmittel

Das angeregte Chlorophyll des Systems II entzieht nun einem im Detail noch nicht erforschten Redoxsystem, hier kurz ROS genannt, Elektronen, die das Plastochinon zu Plastohydrochinon reduzieren. Das so oxidierte ROS + oxidiert seinerseits 2H 2 0 ZU 4H + und 0 2 . ROS + wird selbst wieder zu ROS reduziert. 2R0S + Plast.+

2H+—2ROS++Plast.hyd.

4R0S* + 2H2O

» - 4 H + + 4 R 0 S + 02

Die photochemische Bindung des Wasserstoffes an das Coenzym NADP + zu NADPH 2 erfolgt im System I. Elektronendonator ist Cytochrom f. Die eigentliche Reduktion erfolgt über Ferredoxin.

K+/HC0;

η

Ribulose - 1 , 5 -

Ribulose-bisphosphatcarboxylase. |Glycerinsäure-3-(i J

^NADPH2/ATP

j

NADP/ADP +

[Glycerinaldehyd - 3 - (

Polysaccharide

®

Fructose-bisphosphat-1 Glycerinaldehyd - 3 - C ι aldolase ^ 2 -!§ u ·§ c

•s « ε ο

Χ) Tt Γ-

X γλ CS θ" Κ

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Assimilationsprodukte

ε

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c 2 3 CA §

I

96

2 Ernährung - Allgemeines

2.3.2.5 Fetthärtung Unter Fetthärtung verstehen wir die Überführung minderwertiger Öle in halbfeste bis feste Fette von besserer Qualität. Die Fetthärtung beruht auf der Entdeckung von W. Norman (1901), daß Ölsäure mit fein verteiltem Nickel als Katalysator mit Wasserstoffgas in Stearinsäure übergeführt werden kann.

CH 3 -(CHj) 7 — C H = C H - ( C H 2 ) r C O O H

Ni-Kat. + H2 • CH3(CH2),j-COOH

Heute werden nicht nur höhere ungesättigte Fettsäuren, sondern vor allem ungesättigte Fette, Öle und Trane über Ni-, NiO-, CoO-, CuO-, FeO-, Pt-, Pd-Kontakten (Katalysatoren) bei 100-180 °C mit Wasserstoff unter Druck hydriert. Die hydrierten, gehärteten Produkte unterscheiden sich von analogen natürlichen Fetten praktisch nicht. So entsprechen gehärtetes Sesam- und Erdnußöl in ihren chemischen und physikalischen Eigenschaften fast vollkommen dem Schweinefett. Gehärteter Waltran gleicht Rinder- und Hammeltalg. Weitere zur Fetthärtung bestimmte Öle sind das Ricinusöl, Baumwollsaatöl und Rüböl. Nur mit speziellen Nachweisreaktionen wie z.B. der Phytosterinacetat-Probe können gehärtete Pflanzenöle von tierischen Fetten unterschieden werden. Nachstehend eine kurze Beschreibung der technischen Fetthärtung: In Druckkesseln wird bei ca. 180 °C und 6 bar in das heiße Öl der Nickelkatalysator eingerührt und elektrolytisch gewonnenes Wasserstoffgas eingeblasen. Aus Koks und Wasserdampf gewonnenes Wasserstoffgas enthält vielfach Katalysatorgifte wie H 2 S und AsH 3 ; es ist aus diesen Gründen für diesen Zweck ungeeignet. 100 kg Leinöl benötigen zur Härtung etwa 15 m 3 Wasserstoffgas. Durch Fetthärtung fällt die Iodzahl, der Festpunkt steigt charakteristisch.

2.3.3 Lipide Der Sammelbegriff Lipide leitet sich wohl von der amerikanischen Bezeichnung „Lipids" für Stoffe im Pflanzen- und Tierreich mit lipophilen Molekülgruppen und Eigenschaften ab. Moleküle mit lipophilen Gruppen zeichnen sich durch ihre gute Löslichkeit in Fettlösungsmitteln wie Ether, Benzol, Benzin, Aceton und Alkylhalogeniden wie Chloroform aus. Zu diesen Lipiden gehören die vorhin besprochenen Fette, weiter die fettähnlichen Lipoide, unter ihnen die Phosphatide, welche am C 3 -Atom des Glycerins anstatt einer Fettsäure polare Gruppen verestert enthalten (daher auch polare Lipide genannt), sowie Wachse, Steroide, Terpene, Vitamine, etc. Anstatt Lipoide wird international der Begriff Lipide verwendet. Polare Lipide - Phosphatide Polare Lipide bzw. Phosphatide sind lebensnotwendige Bestandteile jeder funktionstüchtigen Zelle. Durch den hohen Anteil von mehrfach ungesättigten höhe-

2.3 Fette: Assimilation - Assimilationsprodukte

97

ren Fettsäuren besitzen Zellmembranen eine typische halbflüssige Struktur. Der Gehalt an solchen polaren Lipiden in den Zellmembranen spielt beim Stoffwechseltransport durch die Zellmembran, aber auch innerhalb der Zelle, eine bedeutende Rolle. Einerseits wegen der freien Drehbarkeit der C-C-Einfachbindungen und andererseits des sperrigen Verhaltens der Doppelbindungen im ungesättigten Fettsäuremolekül wegen, werden die Strukturen und dadurch die Festigkeit der Lipid-Protein-(Lipoprotein-)Membran vermindert oder verstärkt und somit der Stoffdurchtritt erleichtert oder erschwert. Lecithine

Lecithine sind typische Vertreter der Phosphatidgruppe. Sie bestehen ähnlich den Fetten aus Glycerin, das hier am C r und C 2 -Atom mit Palmitin- und Stearinsäure verestert ist. Viel häufiger sind jedoch ungesättigte Fettsäuren wie Öl-, Linol-, Linolen· und Arachidonsäure gebunden. Am C 3 -Atom unterscheiden sich die Lecithine von den Fetten durch die Veresterung mit Phosphorsäure (polare Gruppe!), welche ihrerseits wieder mit dem basischen Aminoalkohol Cholin verestert ist. CH,— OiH + H0I0C—R. I I i C H—OlH + HO |0C—R2 —ϊΰΓΤΓ | - 3 rljU C H2— O[H_+HÖ] — Ρ—η0H_+_H] 0—C Η2- CH2— N®( CΗ3) 3 1

CH,—0—CO—R, I CH — O-CO—R, I CH,-0—P— 0-CH,-CH,-N®(CH,), o er

Der Aminoalkohol Cholamin (Aminoethanol) liegt in den Lecithinen als Trimethylbetain, d.h. Cholin, vor. Der Essigsäureester des Cholins, das Acetylcholin, wird im Zusammenhang mit den Insekticiden noch eingehend besprochen. Bei den natürlichen Lecithinen ist die Phosphorsäure endständig verestert, wir sprechen von α-Lecithinen. Die ^-Lecithine enthalten die Phosphorsäurebindung am C 2 -Atom, sie werden in der Natur kaum angetroffen. Lecithine sind bräunliche, hygroskopische, wachsartige Massen, die sich in pflanzlichem und tierischem Zellplasma sowie in Zellwänden vorfinden, so ζ. B. in Hefe, Pflanzensamen, Eidotter, Gehirnzellen, Herzmuskel etc. Lipoide und speziell Lecithine sind daher biologisch sehr wichtige Substanzen. Ihre Bedeutung liegt im Einfluß auf die Protoplasmastruktur und in der Regulation der Permeabilität von Zellwänden, darüber hinaus greifen sie in den Chemismus des Nerven- und Intermediärstoffwechsels ein. Diese genannten Wirkungen dürften auf den Phosphorsäure-Cholinrest des Lecithinmoleküls zurückgehen. Lecithine werden auf Grund ihrer polaren Gruppen auch ernährungstechnisch als Emulgatoren in der Süßwarenindustrie verwendet. Der Begriff Lipide ist wegen seiner Komplexität für eine biochemische Klassifikation nicht geeignet. Stellen Fette und Lipoide eine noch überschaubare Substanzklasse dar, so ist bereits die Gruppe der Wachse chemisch kaum definierbar. Einerseits werden zu den Wachsen höhere Fettalkohole und Fettalkoholester gerechnet, wie z.B. der Palmitin-Myricylester, ein Hauptbestandteil des Bienen-

98

2 Ernährung - Allgemeines

wachses, andererseits werden zu den Wachsen auch Kohlenwasserstoffe verschiedenster Zusammensetzung gezählt, sofern sie den für Wachse geforderten physikalischen Parametern entsprechen. Die Bezeichnung Wachse ist daher als technologischer oder warenkundlicher Begriff zu verstehen. Ebenso kann die Gruppe der Vitamine nur, wenn es sich um fettlösliche Vitamine handelt, zu den Lipiden gezählt werden. Die unter dem Begriff „Lipide" vielfach zusammengefaßten Substanzklassen werden daher in diesem Buch in geeigneten Kapiteln berücksichtigt und dort beschrieben.

2.4 Dissimilation 2.4.1 Aerobe Atmung In den vorhergehenden Kapiteln haben wir gesehen, wie die Pflanze aus Sonnenlicht, Wasser und Kohlendioxid die nötigen Stoffe für ihr Wachstum aufbaut. Es sind die energiereichen Verbindungen wie Kohlenhydrate, Fette und Eiweiße, welche aus energiearmen, anorganischen Materialien hergestellt werden. Die Sonnenenergie findet sich in diesen Energieträgern gleichsam gespeichert, um jederzeit für energieverzehrende Stoffwechselvorgänge zur Verfügung zu stehen. Den Abbau der genannten Energieträger zum Zwecke des Energiegewinns bezeichnen wir als Dissimilation. Der wichtigste Dissimilationsvorgang ist die aerobe Atmung. Die frei werdende Energie kann die Pflanze in Wärme umformen oder zum Umbau und Aufbau von körpereigenen Substanzen verwenden oder den Energiegewinn für Arbeitsleistungen (ζ. B. Wachstum, Arbeit gegen die Schwerkraft) einsetzen. Die Stoffwechselvorgänge der Pflanzen sind denen der Tiere weitgehend ähnlich. Der wesentliche Unterschied besteht allein in der Tatsache, daß die Pflanze ihre eigenen Assimilate verarbeitet, während Mensch, Tier und nichtgrüne Pflanzen auf die Aufnahme von Produkten der Photosynthese als Nahrung angewiesen sind. Abb. 11-9 gibt einen schematischen Überblick der pflanzlichen und tierischen Stoffwechselvorgänge und ihrer Unterscheidungsmerkmale. Die Energie für den Transport und den Umbau von Stoffen gewinnt die Pflanze hauptsächlich aus dem Abbau von Kohlenhydraten, seltener von Fetten; dieser Abbau wird als normale Atmung bezeichnet. Nur im Hungerzustand bei Mangel an Kohlenhydraten und Fetten wird Eiweiß angegriffen und veratmet (sog. außergewöhnliche Atmung). Die Atmung erfolgt zum Unterschied von der Photosynthese bei Tag und bei Nacht. Bei Tag überwiegt die Photosynthese um das 30fache, während nachts mangels Licht keine Assimilation, sondern nur Dissimilation stattfindet. Die bei der Atmung frei werdende Energie wird folgendermaßen verwendet: 1. Wärmebedarf 2. mechanische Energie (Bewegung, Wachstum)

2.4 Dissimilation

99

Abb. 2-24: Modell nach einer elektronenmikroskopischen Aufnahme eines Mitochondriums; nat. Größe 0,5 χ 2 μπι (nach P. Karlson). Durch Faltenbildung wird die Oberfläche der inneren Membran sehr vergrößert, sog. Cristae mitochondriales. Zwischen den einzelnen Falten befinden sich die Enzyme der Endoxidation.

3. chemische Energie (Stoffwechselvorgänge, ATP-Speicher) 4. osmotische Energie (Turgor) 5. eventuell Lichtenergie bei selbstleuchtenden Lebewesen wie Leuchtbakterien. Der Auf- und Abbau der verschiedenen Substanzen des Pflanzenorganismus erfolgt im Zell Stoffwechsel. Vielfach beschreiten Auf- und Abbauvorgänge denselben chemischen Weg, nur in besonderen Fällen sind Abweichungen vorhanden. Wir haben den Aufbau von Stärkeprodukten, Cellulose, Proteinen, Nucleinsäuren, Fetten und Membranlipiden im Kapitel „Assimilation" besprochen, so daß wir uns hier auf die Dissimilation, die Spaltung und den Abbau der genannten Energieträger beschränken wollen. Das Stoffwechselgeschehen erfolgt im tierischen und pflanzlichen Organismus im Zellplasma und in den Mitochondrien (Abb. 2-24). Diese kleinen „chemischen Fabriken" sind etwa 0,5-2 μηι groß und mit dem Lichtmikroskop gerade noch als Punkte erkennbar. Entwicklungsgeschichtlich leiten sie sich wahrscheinlich von den Piastiden der Pflanzenzelle wie Chloroplasten und Chromoplasten ab. Sie besitzen gleich diesen in ihrem Inneren Ausstülpungen der Zellmembran, in denen die Enzyme des Stoffwechsels und der Endoxidation lokalisiert sind. Eine Zelle enthält je nach Intensität der dort ablaufenden Stoffwechselvorgänge bis zu 1000 und mehr Mitochondrien. Mitochondrien finden sich in pflanzlichen und tierischen Zellen. So befinden sich ζ. B. in einer Leberzelle bis zu 2000 Mitochondrien. Der gesamte Metabolismus (Stoffwechsel) wird in 3 Hauptabschnitte gegliedert: 1. Anabolismus: Darunter verstehen wir den Synthesestoffwechsel, d.h. die Neubildung von Metaboliten und polymeren Zellbestandteilen, er entspricht der Assimilation. 2. Amphibolismus: Auch Intermediärstoffwechsel genannt. Hier werden die niedermolekularen Stoffwechselprodukte umgesetzt. Diese niedermolekularen Bausteine (Metabolite) bauen hochmolekulare Zellbestandteile auf (Cellulose, Proteine,...). Der Amphibolismus steht zwischen Assimilation und Dissimilation. 3. Katabolismus: Darunter verstehen wir die Zerlegung der Nahrungsbestandteile in Bruchstücke, er entspricht der Dissimilation.

100 2 Ernährung - Allgemeines Die Dissimilation kann in folgende Abschnitte eingeteilt werden: 1. Kohlenhydratabbau 2. Fettabbau 3. Eiweißabbau 4. Nucleinsäureabbau 5. Citronensäurecyclus und Atmungskette Im folgenden werden die einzelnen Abschnitte der Dissimilation besprochen. 2.4.1.1 Kohlenhydratabbau Der Abbau von Kohlenhydraten beginnt im Cytoplasma mit einer enzymatischen Spaltung von Stärke zu Maltose, welche in der Folge zu 2 Molekülen Glucose mitGlucose

ATP ' Hexokinase ADP

I

Glucose-6-Phosphatase | Pentosephosphat-Weg

Glucose-6-®]

Glucosephosphat-Isomerase ATP

Fructose-6-®]

6-®-Fructokinasej> ADP

j J

Hexosebisphosphatase

| Fructose-1,6-®|

Fructosebisphosphataldolase NAD-

Glycerinaldehyd-3-®

it

NADH; ADP

ATP

| __ ®-Triose-lsomerase

^

Glycerinaldehyd-3-® Dehydrogenase

| Dihydroxyaceton-3

Glycerin-3-®-Dehydrogen^\

I »

1,3-Bis phosphoglycerat |

Glycerin-3-®

It

I

©-Glyceratkinase

i I 3-Phosphoglycerat

/NADH2

|

Glycerinphosphatase

i

Glycerin

©-Glyceromutase

τι

Milchsäuregärung

Abb. 2-25: Glykolyse. Der Abbau der Monosaccharide beginnt mit einer anaerob verlaufenden Reaktionskette im Cytoplasma. Aus Monosaccharidphosphaten entsteht Fructosebisphosphat, das in zwei C3-Stücke gespalten wird. Die anschließende Oxidation liefert Brenztraubensäure, die in Salzform als Pyruvat vorliegt. Das Pyruvat erfährt in den Mitochondrien eine Decarboxylierung und Oxidation zu enzymgebundenem Acetat. (Unter Kinasen verstehen wir Enzyme, welche einen Phosphorsäurerest von ATP auf ein Substrat übertragen.)

2.4 Dissimilation

101

tels Maltase zerlegt wird. Disaccharide werden ebenfalls durch geeignete Enzyme in Monosaccharide gespalten, so z.B. Saccharose durch Saccharase in Glucose und Fructose. Als Ausgangssubstanz nachfolgender Abbaumechanismen steht in den Zellen das stoffwechselaktive Glucose-6-phosphat zur Verfügung. Die wesentlichsten Wege, nach denen der Abbau der Glucose zu C 3 -Körpern erfolgt, sind die Glykolyse (Embden-Meyerhof-Parnas-Weg, Abb. 2-25) und der oxidative Pentosephosphat-Weg (Warburg-Dickens-Hornecker-Schema). Glykolyse 1. Die Glucose wird durch das Coenzym ATP, welches als Phosphorsäuredonator und Energielieferant fungiert, unter Einwirkung des Enzyms Hexokinase am Q-Atom phosphoryliert. Aus ATP wird dabei ADP gebildet. Außerdem wird Energie frei. Letztere wird zur Bildung des Glucosephosphates benötigt. H0CH2

©OCH; Hexokinase,+ATP Glucose-6-©-Phosphatase + ADP

Glucose

Glucose-6

2. Glucose-6-phosphat wird durch eine Isomerase in Fructose-6-phosphat übergeführt und anschließend durch Phosphofructokinase und ATP am C r A t o m verestert. Wir erhalten Fructose-l,6-bisphosphat.

Glucose-6-©

Fructose-6-©

3. Der Fructose-1,6-bisphosphatring wird durch die energiereiche Bindung am C r und C 6 -Atom geöffnet und durch Aldolase in Glycerinaldehyd-3-phosphat und Dihydroxyaceton-1- bzw. -3-phosphat zerlegt. Glycerinaldehyd-3-phosphat und Dihydroxyaceton-3-phosphat stehen über die Enolform im Gleichgewicht.

102 2 Ernährung - Allgemeines Durch die Phosphotriose-Isomerase wird das Gleichgewicht vom Dihydroxyaceton zu Gunsten des Glycerinaldehyds verschoben. ©OCHJ

CH2O®

®OCH2

CH2O® OH

V A N Aldolase

HC

OH

' I

OH

1/

-C Η

OjH Ringöffnung

Spaltung

4. Glycerinaldehyd-3-phosphat wird über ein weiteres Enzym und Zwischenstufen durch NAD zu Glycerinsäure-3-phosphat dehydriert. H

\ c/P |

NAD+H20

Glycerinaldehyd-®dehydrogenase

HC-OH CH20®

cn cP

NADH2 + H+

Glycerinaldehyd-3-ι

I

"

HC-OH

—

CH20®

3-Phosphoglycerat

5. Glycerinsäure-3-phosphat wird durch die Phosphoglyceromutase in Glycerinsäure-2-phosphat und dieses mit Hilfe der Enolase unter Abspaltung von Phosphorsäure über die Enolform der Brenztraubensäure in die Brenztraubensäure übergeführt. Die Phosphoresterbindung am C 2 -Atom wird gelöst und mittels der Phosphorkinase auf das System ADP/ATP übertragen. COO®

COO^" HC O H »

Phosphoglyceromutase

I ' CHJO® 3-Phosphoglycerat

- HCO® •

I

CH20H

2-Phosphoglycerat

COO HCO®

I

CHJOH

Enolase C — O d

^

II

CH,

Phosphoenolpyruvat

Pyruvatkinase

C=0

CH3 Pvruvat

Das Pyruvat wandert in die Mitochondrien, dort erfolgt die Decarboxylierung und Oxidation zu aktivem Acetat. Pyruvat und akt. Acetat werden ebenso vom Aminosäureabbau und dem Fettsäureabbau geliefert. Diese Anhäufung von Pyruvat und akt. Acetat wird als „pool" (vom engl, pool = Teich) bezeichnet. Wir verstehen darunter gleichsam ein Sammelbecken dieser Stoffwechselkleinstprodukte. Pyruvat-pool: Brenztraubensäure (acidum pyruvicum) liegt im Zellstoffwechsel als Salz vor, daher Pyruvat-pool.

2.4 Dissimilation

103

Acetat-pool: Aktivierte Essigsäure, d.h. Essigsäure (acidum aceticum) an Coenzym Α gebunden, wird als akt. Acetat bezeichnet, daher Acetat-pool. Pentosephosphat-Weg Beim Pentosephosphat-Weg wird GIucose-6-(P) durch Glucose-6-·θι—>-c—»a/ a3 (s. Abb. 2-31). Die Cytochromvarianten und ihre Untergruppen unterscheiden sich in ihren Seitenketten und im Zusammenhang damit durch die unterschiedliche Lichtabsorption zwischen 400 und 600 nm. Das Cytochrom b steht mit Flavoprotein und Chinon in engem Zusammenhang, gemeinsam mit den Cytochromen c und Ci ist es an der Elektronenübertragung auf den Cytochrom-a/a 3 -Komplex beteiligt. Der Komplex Cytochrom a/a 3 , auch Cytochromoxidase genannt, wurde früher als Warburgs Atmungsferment bezeichnet, heute nimmt man an, daß Cytochrom a und a 3 identische Moleküle sind, welche sich durch den verschiedenen Bindungszustand unterscheiden. Cytochrom a bzw. a 3 reagiert gleichsam als Endoxidase mit dem Atmungssauerstoff.

114

2 Ernährung - Allgemeines

4 Fe++—»-4Fe+ + + + 4e~ :Ö::Ö: +2x2e" +

20""+ 4H

»-2:0: = 20" 2 H20

Wirkungsgrad der Atmung - Energiebilanz Wie bereits erwähnt, wird die Energie, welche der Citronensäurecyclus in Verbindung mit der Atmungskette liefert, zum Teil als ATP gespeichert, zum anderen Teil in Form von Wärme abgegeben. Unter der experimentell belegten Annahme, daß zur Bildung von 1 mol NADH 2 3 mol ATP, und zur Bildung von 1 mol FADH 2 2 mol ATP benötigt werden, ergeben sich ζ. B. für den Abbau und die Oxidation von Glucose zu C 0 2 und H 2 0 : Glucoseabbau (Glykolyse) 8 mol ATP Abbau von Pyruvat zu Acetyl-CoA 6 mol ATP Citratcyclus + Atmungskette 24 mol ATP Summe

38 mol ATP

Die Bildung von ATP aus ADP und anorganischem Phosphat verbraucht pro Phosphorbindung ca. 29 kJ/mol. 38 mol ATP verbrauchen somit eine Energie von 38 χ 29 = 1102 kJ. Energiemessungen ergaben als Gesamtgewinn für Glykolyse und Citronensäurecyclus 2 892 kJ. Daraus wird der prozentuelle Anteil der durch 100-1102 ATP gebundenen Energie zu «38% ermittelt. Dieses Verhältnis zwi2 872 sehen chemisch gebundener und freier Energie wird als Wirkungsgrad der Atmung bezeichnet.

2.4.2 Gärung (anaerobe Atmung) Unter Gärung verstehen wir im allgemeinen Sinn die Spaltung von organischem Material, meist Kohlenhydraten, durch Enzyme, welche von anaeroben Mikrolebewesen wie Bakterien und Pilzen gebildet werden. Bei diesen Stoffwechselprozessen entstehen einzeln oder als Gemische die nachfolgenden Substanzen: Alkohole Ethanol iso-Propanol n-Butanol 2,3-Butadiol

Säuren und Salze Formiat Acetat Propionat Lactat Butyrat Succinat Capronat

Ketone Aceton

Gase C02 H2

Je nachdem, welche dieser Substanzen vorherrschen, unterscheiden wir zwischen alkoholischer Gärung, Propionsäure-, Milchsäure-, Buttersäuregärung etc. Hier

2.4 Dissimilation

115

muß jedoch vermerkt werden, daß die Essigsäuregärung keine Gärung im eigentlichen Sinne, sondern vielmehr ein Oxidationsprozeß ist. Unter den vergärenden Mikroorganismen, Pilzen und Bakterien, finden sich obligate und fakultative Anaerobier. Im Gegensatz zu obligaten Anaerobiern, die nur in Abwesenheit von Sauerstoff existieren können, können fakultative Anaerobier sowohl bei Abwesenheit als auch bei Anwesenheit von Sauerstoff ihre Lebensfunktionen sicherstellen, allein die Anwesenheit von Sauerstoff begünstigt den Atmungsvorgang auf Kosten der Gärung. Ein Beispiel für fakultative Anaerobier bzw. Aerobier sind Pilze, besonders Hefepilze. Hefen sind eigentlich Aerobier. Haben sie freien Sauerstoff zur Verfügung, können sie gleich höheren Pflanzen wachsen und die Glucose vollständig oxidieren bzw. veratmen. Unter anaeroben Bedingungen wird das Wachstum jedoch stark vermindert, und die benötigte Energie zur Aufrechterhaltung der Lebensvorgänge wird durch Gärung gesichert. 2.4.2.1 Alkoholische Gärung C

6H12

2

° 6

CJH

5

OH

+ 2 C 0

2

A G = - 2 3 4

k j

Wie wir gesehen haben, können Hefen sowohl durch aerobe Atmung als auch durch Gärung Energie gewinnen, nur sind die Energiebeträge sehr unterschiedlich. Der Gärungsvorgang liefert im Vergleich zur aeroben Atmung nur wenig Energie (aerobe Atmung A G = — 2872kJ). Soll die nötige Energie durch Gärung gesichert werden, muß der geringere Energiegewinn durch einen entsprechend höheren Stoffumsatz wettgemacht werden. Der Chemismus der Gärung entspricht weitgehend der Glykolyse. Glucose wird phosphoryliert und zu Brenztraubensäure abgebaut. Es entsteht Wasserstoff, der an NAD gebunden wird. Mangels Sauerstoffs kann der Wasserstoff von NADH 2 nur auf Spaltprodukte übertragen werden. Im Falle der alkoholischen Gärung wird Acetaldehyd zu Ethanol reduziert. Mg + + D e c a r b o x1y l a s e z^— 2

, C H , — C — COOH II

0

η / C H3, — C. V

0

Brenztraubensäure H C

H

/ ' - \

0

Acetaldehyd AlkoholDehydrogenase +NADH, ^ N Ä ^ •CH3-CH2-OH Ethanol

Das Pyruvat wird durch die für das Pflanzenreich charakteristische PyruvatDecarboxylase unter Mitwirkung von Mg 2+ -Ionen in Kohlendioxid und Acetaldehyd gespalten. Der Acetaldehyd erfährt sodann unter dem Einfluß der AlkoholDehydrogenase durch das NADH 2 /NAD-System eine Reduktion zu Ethanol. Die

116

2 Ernährung - Allgemeines

Endprodukte der alkoholischen Gärung sind somit Ethanol, Kohlendioxid und Energie. Der Hefestamm der alkoholischen Gärung ist Saccharomyces cerevisiae. Als Substrate kommen alle D-Hexosen sowie die Disaccharide Saccharose und Maltose in Betracht. L-Formen der Hexosen werden nicht vergoren, desgleichen alle Heptosen und Polysaccharide, sofern letztere nicht vorher durch Hydrolasen in Monosaccharide zerlegt werden. Gärung nach Neuberg Eine Variante der alkoholischen Gärung ist die Vergärungsform nach Neuberg. Hier wird durch Zusatz von prim. Natriumsulfit der Acetaldehyd als Additionsverbindung ausgefallt. Dadurch scheidet der Acetaldehyd als Wasserstoffakzeptor aus. An seiner Stelle addiert Dihydroxyaceton, ein Spaltprodukt von Fructose-l,6-bisphosphat, den Wasserstoff; als Reduktionsprodukt entsteht hier Glycerin. 0 CH3—C

+HS03Na

^H CH,OH

I

C=0

/ 0 H »-CHj—c—Η (Niederschlag)

^SOjNa CHJOH

I

+H,—»-CHOH

I

I

Dihydroxyaceton

Glycerin

CH 2 OH

CH2OH

Auch nachfolgende Variante ist möglich: Glycerin kann auch durch Zusatz von schwachen Alkalien wie NaHCOj oder N a 2 H P 0 4 gewonnen werden. Der Acetaldehyd zerfällt durch den Alkalizusatz in Ethanol und Acetat. Aus Mangel an Acetaldehyd erfolgt die Reduktion nun wie vorhin am Dihydroxyaceton zu Glycerin.

2.4.2.2 Milchsäuregärung Beim Vorgang der Milchsäuregärung wird durch Bakterien recht unterschiedlicher Gestalt und Herkunft Glucose in Milchsäure bzw. Lactat zerlegt. Es handelt sich um anaerobe Gärer der Familie Lactobacteriaceae, die wir nach verschiedenen Gesichtspunkten einteilen können: A. Nach ihrer Form unterscheiden wir Kokken (Streptococcus) sowie lange und kurze Stäbchen (Lactobacillus). Β. Nach ihrem Standort differenzieren wir in Bakterien des Verdauungstraktes von Mensch und Tier, weiter in Bakterien, die in ihrer Aktivität an Milchprodukte gebunden sind und in solche, die auf pflanzliches Material, lebendes wie abgestorbenes, spezialisiert sind. C. Nach dem Chemismus des Gärvorgangs können wir homoenzymatische und heteroenzymatische Gärer unterteilen.* Erstere produzieren, sofern strikte * Wird durch ein einheitliches Enzymsystem ein definiertes Spaltprodukt erzeugt, sprechen wir von homoenzymatischer Gärung. Heteroenzymatische Gärung hingegen liefert verschiedene Gärprodukte.

2.4 D i s s i m i l a t i o n

117

Abb. 2-32: Heteroenzymatische Milchsäuregärung. Die heteroenzymatische Milchsäuregärung kann durch Lactobacillus brevis zu Acetat führen oder durch Leuconostoc mesenteroides zu Ethanol. Die Oxidation des Glycerin-3-(P) folgt dem bekannten Fructosebisphosphatweg.

anaerobe Verhältnisse garantiert sind, hauptsächlich Milchsäure, letztere bilden neben Milchsäure auch C 0 2 , Acetat und Ethanol. Homoenzymatische (homofermentative) Gärung Die homoenzymatische Gärung entspricht der Glykolyse (vgl. Kapitel 2.4.1.1.1), sie folgt dem Fructose-l,6-bisphosphatweg über Brenztraubensäure zu Milchsäure, oder besser von Pyruvat zu Lactat. + 2NADH, 6 i2°6 _4H * 2 CH3—CO—COOH _2NAD *· 2 CH3—CHOH —COOH AG = -218 kJ

C H

Die gebildete Milchsäure ist eine optisch aktive Substanz, Η

CH,— C*— COOH I ο Η welche entsprechend der Spezifität der Enzyme Lactat-Dehydrogenase und Lactat-Racemase als D( —)- und L( + )-Milchsäure bzw. als Racemat entsteht.

118

2 Ernährung - Allgemeines

Heteroenzymatische (heterofermentative) Gärung Die heteroenzymatische Gärung schlägt den Pentosephosphatweg ein. Den Bakterien dieses Gärtyps fehlen die wesentlichen Enzyme der Glykolyse wie Aldolase und Triose-phosphat-Isomerase. C H

6 12°6

»-CH,—CHOH-COOH

+ CH 3 —CH 2 OH + C0 2

Manche heteroenzymatische Gärer (ζ. B. Lactobacillus brevis) bilden anstatt Ethanol Acetat, indem das Acetylphosphat nicht reduziert, sondern vorher in Acetat und Phosphorsäure gespalten wird. Die Phosphorsäure wird sodann von ADP aufgenommen. Überschüssiges NADH 2 reduziert Glucose zu Mannit.

Vι

(HCOH) 4 CH,OH

CH,OH

I I

+NADH2 "

(HCOH

N A D

CH2OH Mannit

Glucose

Auch Fructose wird durch heteroenzymatische Gärer in ähnlicher Weise zerlegt (Abb. 2-33). Abschließend sei noch darauf hingewiesen, daß gewisse Milchsäurebakterien Glucose homoenzymatisch, Ribose und andere Pentosen heteroenzymatisch spalten, ζ. B. Lactobacillus casei und Lactobacillus plantarum. 2.4.2.3 Buttersäuregärung Beim komplexen Vorgang der Buttersäuregärung werden die verschiedensten Substrate durch Clostridien (Fam. Bacillaceae) zu unterschiedlichen Spaltprodukten abgebaut. Je nach Substrat entstehen entsprechende Gärprodukte. Die Einteilung der zahlreichen Clostridien-Species kann substratbezogen oder produktbezogen sein. Hinsichtlich ihrer Substratspezifität unterscheiden wir saccharolytische Clostridienarten, welche Polysaccharide und Zucker umsetzen, und proteolytische Clostridien, die Proteine, Peptone (Proteinspaltprodukte) und Aminosäuren angreifen.

Mannit

Abb. 2-33

2.4 Dissimilation

119

Die Spaltprodukte genannter Clostridien sind: Säuren bzw. Salze Butyrat Lactat Propionat Acetat

Alkohole Butanol Ethanol iso-Propanol

Ketone Aceton

Gase H2

co2

NH 3

Demnach gibt es Buttersäurebildner, Propionsäurebildner, Butanolbildner etc. Proteolytische Clostridien liefern neben H 2 auch NH 3 -Gas, während saccharolytische naturgemäß H 2 und C0 2 bilden. Allen Clostridien gemeinsam ist ihre ausgeprägte Empfindlichkeit gegenüber Sauerstoff, sie sind also ausgeprägte Anaerobier und nur wenige Arten zeigen eine

1) Glykolyse

Glucose-6-® • Fructose-1,6-® Dihydroxyaceton - 3 - ®

Glycerinaldehyd - 3 - ®

t

Glycerinsäure - 3 ® Pyruvat t Acetyl-SCoA

2) Kondensation von 2 Acetyl-SCoA zu Acetacetyl-SCoA

CH 3 - CO - SCoAl + Thiolase + [HJCH 2 - CO - S C o A r CH, - CO - CH, - CO - SCoA + HSCoA

\ Aceton

^m +2H

| Isopropanol |

3) Reduktion mit N A D H 2 zu CH 3 - CO - CH 2 - CO - SCoA ß-Hydroxybutyryl-SCoA +NADH2

4) Bildung von Crotonyl-SCoA

CH 3 - C H - C H m - CO - SCoA |ÖHJ +Crotonase CH3-CH =

5) Reduktion von Crotonyl-SCoA mit Flavinenzym zu Butyryl-SCoA

CH-C0-SCoA

CH3-CH-CH-CO-SCoA + FADH, C H 3 - C H 2 - C H 2 - C O - S C o A + FAD

η-Butanol |^-|Butyraldehyd |

\ | Butyrat |

| HS-CoA | + Transferase

Abb. 2-34: Buttersäuregärung. Der Beginn der Buttersäuregärung folgt dem Fructosebisphosphatweg. Die eigentliche Clostridiengärung (2) geht von Acetyl-CoA aus und liefert n-Butanol, Butyrat, Aceton, Isopropanol, Acetat und Ethanol.

120

2 Ernährung - Allgemeines

gewisse Sauerstofftoleranz. So viele Clostridienarten es gibt, so verschiedenartig sind die einzelnen Gärvorgänge. Im folgenden wird die Buttersäure-Butanolgärung behandelt (Abb. 2-34). Im wesentlichen kann der Stoffwechselvorgang der Buttersäuregärung folgendermaßen unterteilt werden: 1. Glykolyse 2. Bildung von Acetacetyl-SCoA 3. Reduktion zu /?-Hydroxybutyryl-SCoA 4. Bildung zu Crotonyl-SCoA 5. Reduktion zu Butyryl-SCoA. Gärvorgänge sind in der Natur sehr zahlreich. Wir haben hier mit der alkoholischen Gärung, der Milchsäuregärung und der Buttersäuregärung eine Auswahl getroffen, welche eine gewisse Vorstellung von den chemischen Abläufen bei Gärungsprozessen vermittelt. Auf andere Gärungsvorgänge wird in den folgenden Kapiteln noch eingegangen. Vielleicht stellt sich abschließend noch die Frage, welche Naturstoffe überhaupt vergärbar sind und welche nicht. Anfangs haben wir festgestellt, daß durch Gärungen eine gewisse Energiemenge, wenn auch gering im Vergleich zur Atmung, frei wird. Es können daher nur solche Substanzen unter anaeroben Bedingungen vergoren werden, die bei der Spaltung Energie freisetzen, d. h. exotherme Reaktionen liefern. Es sind meist Naturstoffe, welche außer Kohlenstoff und Wasserstoff noch Sauerstoff und Stickstoff enthalten, also Poly-, Oligo- und Monosaccharide, verschiedene organische Säuren, Proteine, Peptide, Aminosäuren sowie Purine und Pyrimidine. Als resistent gegenüber Vergärungen erweisen sich dementsprechend alle Kohlenwasserstoffe aliphatischer und cyclischer Art, Terpene, Steroide, polymere und copolymere Kunststoffe, Silicone etc., also Verbindungen, aus denen ohne Sauerstoff keine Energie durch irgendwelche Spaltprozesse bakterieller Art gewonnen werden kann.

2.5 Sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe Wir haben in den vorangehenden Abschnitten hochmolekulare Pflanzeninhaltsstoffe, ihren Auf- und Abbau sowie ihre Funktion als Gerüst- und Reservestoffe beschrieben. Neben diesen polymeren primären Pflanzenprodukten sind in jeder Pflanze eine Reihe von niedermolekularen, sekundären Inhaltsstoffen vorhanden. Darunter finden wir niedermolekulare Stoffwechselprodukte wie Monosaccharide usw., die mehr oder weniger in allen Pflanzen verbreitet sind, und solche, welche geradezu charakteristisch für jede Pflanzengattung sind, wie Duftstoffe, Farben, Aromen, Harze, Vitamine und dergleichen mehr.

2.5 Sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe 121 Aus biochemischer Sicht werden diesen sekundären Pflanzenprodukten „Bausteine" zugrunde gelegt, aus denen wir uns den Aufbau der sekundären Pflanzeninhaltsstoffe durch Di-, Tri- und Polymerisierung identischer oder gemischter Einheiten vorstellen können. Wir teilen ein in: C 2 -Baustein = aktivierte Essigsäure C 5 -Baustein = aktiviertes Isopren C 9 -Baustein = Phenylpropan

2.5.1 C2-Baustein - Aktivierte Essigsäure Phenolische Pflanzenprodukte mit Hydroxy- oder Methoxygruppen in meta-Stellung können wir uns z.B. aus Acetatbausteinen aufgebaut vorstellen. Es sind Pflanzenstoffe, welche sich chemisch von Resorcin, Phloroglucin bzw. Anthron ableiten.

HO NS /

ÖH HO N^ /

Resorcin

OH

Phloroglucin

Anthron

Die Biosynthese dieser Produkte erfolgt über Acetyl-SCoA und eine enzymatische Carboxylierung zu Malonyl-SCoA, einer Verbindung mit aktiver CH 2 -Gruppe, der wir bereits bei der Fettsynthese begegnet sind. Das Malonyl-SCoA (C2-Stück) kondensiert mit aktivierter Essigsäure zur aliphatischen Kette. ο II CH3—c —S-CoA + C02

ο II »-HOOC —CH2—C —S-CoA Malonyl-S-CoA

0

0

^ II , II H(£0C)—CH2—C—| S-CoA + H| CH2—C —S-CoA

0

0

II II *-CH3— C — CH2—C — S-CoA+ C02 + HS—CoA

Zwei weitere Kondensationen mit je einem Molekül akt. Essigsäure führen zu nachstehendem C 8 -Molekül: 0

0

0

II II II CH3—C — CH2—C — CH 2—C — CH2— COOH

122

2 Ernährung - Allgemeines

Dieses cyclisiert unter Abgabe von C 0 2 und H 2 0 wie folgt: CH, H,C

CH!H" 0H| + C02+H20

HO

V \ . / \

'OH

2.5.2 C5-Baustein - Aktives Isopren Monoterpene Eine in pflanzlichen Nahrungsmitteln weit verbreitete Substanzklasse ist die nächste Gruppe der Isoprenoide, auch Terpene genannt. Wir verstehen darunter jene Pflanzeninhaltsstoffe, welche sich vom C5-Baustein Isopren ableiten. Isopren ist chemisch gesehen ein Methylbutadien mit ähnlichem reaktiven Verhalten wie Butadien. CH, ι3 CH2=C—CH=CH2

CH2—CH—CH = CH2

Isopren

Butadien

Butadien bildet in vitro zwei Radikaltypen aus, welche in verschiedener Kombination mit geeigneten Katalysatoren unterschiedliche, polymere Produkte liefern, ζ. B. Buna-Kautschuk. CH2 = CH — CH = CH2-« «-.CH2—CH = CH — CH2· (Typ I) CHj=CH—CH = CH2-» »- CH2—CH —CH = CH2 ITypU)

Rein schematisch läßt sich dieser Vorgang auch am Isopren nachvollziehen. Beim Isoprenmolekül ist es jedoch zweckmäßig, einen köpf- und einen endständigen Molekülteil zu unterscheiden. Abgeleitet von der englischen Bezeichnung „head" für Kopf und „tail" für Schwanz gibt es somit eine head-tail-, d.h. 1-4-Verknüpfung, eine tail-tail, d.h. 4-4-Verknüpfung, und eine head-head-, d.h. 1-1-Verknüpfung und so fort. head tail_ C~HN /1 |2 V'3 4 \ LL Q J_|

—

/ \s Isopren

C

,

ch3 CH, I 4 1 I Η — CH2—C=CH — CH2· -CH2—C = CH — CH2—OH _

tail-head Verknüpfung Geraniol

2.5 Sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe

123

Die Enden des dimeren Produktes denken wir uns mit H- und -OH abgesättigt. Geraniol und die anderen Terpene können zweckmäßig und dem räumlichen Molekülbau entsprechend in abgekürzter Form folgendermaßen geschrieben werden:

Diese Schreibweise wird auch bei den nachfolgenden Terpenen beibehalten. Geraniol ist ein 3,7-Dimethyl-2,6-octadien-l-ol, es gehört zur Gruppe der Monoterpene (C10-Terpene); sein Molekülbau ist charakteristisch. Er wird als Geranioltyp bezeichnet. Diese Art der Verknüpfung von Isoprenmolekülen finden wir bei einer großen Zahl von Monoterpenen; dazu kommt noch, daß durch zusätzliche C-C-Bindungen solche Monoterpene cyclisieren können. Es entstehen cyclische und bicyclische Terpene. Biosynthese von Monoterpenen

Der eigentliche Baustein der Biosynthese von Monoterpenen ist das Isoprenylpyrophosphat, genauer Isopentenyldiphosphat, das „aktive Isopren", oder kurz IPP genannt. CH, CH, I I CH2=C—CH=CH2 + H —o—®—®—»-CH2 = C —CH2—CH2—0—®—© Isopentenyljjyrophosphat - I P P vgl.:

CH, I

CH, I

CH, I

CHj—CH — CH2 — CHj CH2=C —CH2—CH2— CH3—C = CH—CH2— Isopentan

Isopentenylrest

Dimethylallylrest

IPP wird durch die Wirkung einer Isomerase in das reaktionsfähige Dimethylallylpyrophosphat DAPP übergeführt. ch3 I

_

_

Isomerase

H2C = C — CHJ— CHJ— 0 — ® — © IPP

HjC

^C = CH —CH2—0 —® —©

Dimethylallylpyrophosphat DAPP

124

2 Ernährung - Allgemeines

Der Start zur Bildung von Monoterpenen erfolgt durch eine einfache Addition eines IPP-Moleküls an ein DAPP-Molekül zu Geranylpyrophosphat (GPP). IPP +

DAPP

GPP

Geranylpyrophosphat

Durch den anionischen Charakter des Di- bzw. Pyrophosphate und die benachbarte Doppelbindung zeigt das Geranylpyrophosphat eine gewisse Tendenz zur Cyclisierung. Cyclisierung eines GPP-Moleküls zu Limonen:

GPP

Limonen

Monoterpene finden sich in vielen etherischen Ölen als Kohlenwasserstoffe oder als Oxidationsprodukte derselben wie Alkohole, Aldehyde, Ketone und Säuren. In jungen Pflanzen sind überwiegend Terpenkohlenwasserstoffe anzutreffen, aus diesen entstehen mit fortschreitendem Alter der Pflanze oben angeführte Oxidationsprodukte. Manchmal finden sich Monoterpene glykosidisch gebunden als Bitterstoffe. Die Anwesenheit von alkoholischen Gruppen führt weiter zur Bildung von Estern verschiedenster Art (Aromastoffe). Als typischer Vertreter der Monoterpene soll das Geraniol kurz genauer beschrieben werden: Geraniol: Farblose Flüssigkeit, Sdp. 230 °C, unlösl. in Wasser, lösl. in Alkohol und Ether, rosenartiger Geruch, empfindlich gegen Wärme, Sauerstoff, Aluminium, Kupfer und Säuren. Enthalten in: Palmarosaöl zu 95%, Geraniumöl zu 50%, Citronellöl zu 35%. Geraniolester: Geranylacetat, -butyrat, -valerat, etc. Verwendung: Genußmittel-, Parfumindustrie.

2.5 Sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe

125

Sesquiterpene Die Verknüpfung von 3 Isoprenen führt zu Sesquiterpenes Ihr charakteristischer Vertreter ist das Farnesol. Farnesol enthält 3 Isoprenmoleküle in 1-4-Verknüpfung (head-tail). Chemisch können wir Farnesol als 3,7,ll-Trimethyl-2,6,10-dodecatrien-l-ol bezeichnen.

12

10

8

Analog dem Geranioltyp sprechen wir bei Verbindungen, die dem Bauprinzip des Farnesols entsprechen, vom Farnesoltyp. Farnesol ist ein typisches etherisches Öl; es riecht nach Maiglöckchen und zeigt die den etherischen Ölen eigene Empfindlichkeit gegen Licht, Sauerstoff, Wärme und Säuren sowie Alkalien. Auch bei der Gruppe der Sesquiterpene sind verschiedene Cyclisierungen möglich. Als Beispiel sei die Bildung von L-Bisabolol aus Farnesol angeführt.

Farnesol

L-Bisabolol

L-Bisabolol ist bis zu 20% im Kamillenöl enthalten. Di-, Tri- und Tetraterpene Die Strukturen dieser Gruppen unterscheiden sich von den Mono- und Sesquiterpenen durch die unregelmäßige Verknüpfung der Isoprenbausteine. 1-4-Verknüpfungen werden durch 4-4-Bindungen abgelöst. Interessant ist hierbei, daß die Vertreter der Tri- und Tetraterpene eine gewisse Symmetrie im Molekülbau erkennen lassen, welche bei den Mono- und Sesquiterpenen durch ihre regelmäßige headtail-Verknüpfung nicht möglich ist. Als Beispiel für Triterpene ist hier das Squalen angeführt. Squalen ist die Vorstufe der Cholesterinbiosynthese im tierischen Organismus. Squalen kommt in verschiedenen Pflanzenölen vor, ζ. B. im Olivenöl (0,2%).

Zu den Tetraterpenen gehören das Lycopin, der Farbstoff von Tomaten und Paprika, sowie das Carotin, der Farbstoff der Karotten, Orangen und Hagebutten. Ca-

126 2 Ernährung - Allgemeines rotin ist die Vorstufe des Vitamin Α und wird als solche Provitamin Α genannt. Die teilweise Cyclisierung der Isoprenbestandteile beim Carotin ist bereits bei nachstehender Lycopinformel angedeutet. Die Symmetrie des Molekülbaues wird durch die Zahlenbenennung 1-1', 2-2' usw. hervorgehoben.

Enzyme des NAD/NADH 2 -Systems können Terpene in ihrer Struktur stark verändern. Sie wirken oxidierend oder reduzierend. Dazu kommen noch Ringerweiterungen und Ringkontraktionen, Positionswechsel von Methylgruppen usw. Durch solche Molekülveränderungen ist die ursprüngliche Terpenstruktur oftmals schwer zu erkennen.

2.5.3 C9-Baustein - Phenylpropan Die Pflanzeninhaltsstoffe der Phenylpropangruppe besitzen zum Unterschied von der vorher besprochenen einen Benzolring, an dem folgende Seitenketten stehen können: 1. CH 3 - CH 2 - CH 2 2. CH 3 - CH = CH 3. CH 2 = C H - C H 2 4. CH 2 OH - CH = CH 5. HOOC - CH = CH Dazu kommen noch p-ständige Hydroxy- und Methoxygruppen. Phenylpropanderivate in dieser Art finden sich relativ häufig in den verschiedensten Pflanzengattungen. Ehe wir auf die einzelnen Vertreter dieser Substanzklasse näher eingehen, wollen wir die Bildung eines aromatischen Systems im Pflanzenorganismus näher betrachten. Die Biosynthese von Phenylpropanderivaten ist ja besonders im Hinblick auf die Aminosäuren Phenylalanin, Tyrosin, Dihydroxyphenylalanin (DOPA) und Tryptophan von Interesse, da Menschen und Tiere auf die exogene Aufnahme jener Aminosäuren angewiesen sind.

Die Ausgangssubstanzen zur Biosynthese von Phenylpropanderivaten sind Erythrose-4-(p) und Phosphoenolpyruvat. Über eine Heptose als Kondensationsprodukt des obigen C4- und C3-Bausteines entsteht als erste cyclische Verbindung die 5-Dehydrochinasäure. In der nachstehenden Formel der 5-Dehydrochinasäu-

2.5 Sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe 127 re ist der Enolpyruvatteil gestrichelt begrenzt, der Rest kann der Erythrose zugeordnet werden. COOH COOH

Die 5-Dehydrochinasäure erfährt in der Folge eine Umbildung in die Shikimisäure, diese wird mit Phosphoenolbrenztraubensäure über ATP zur Chorisminsäure verbunden. COOH

COOH

CH 11 2 — ^ OH + © 1 - 0 — C O O H OH Shikimisäure

+

Phosphoenolbrenztraubensäure

Chorisminsäure

Chorisminsäure wird sodann zur Prephensäure umgebaut, aus der die p-Hydroxybenzoesäure und auch die Phenylbrenztraubensäure entstehen können. Umlagerung der Chorisminsäure zu Prephensäure: HOOC

Ό'

C H , — C—COOH

II 0

COOH OH

ÖH

Prephensäure

Chorisminsäure

Die erste Möglichkeit ergibt aus Prephensäure durch Abspaltung von Brenztraubensäure die p-Hydroxybenzoesäure. HOOC

''

COOH

C H , — C —COOH

II ο

- C H , — C —COOH

II 0

OH Prephensäure

OH p-Hydroxybenzoesäure

128

2 Ernährung - Allgemeines

Eine zweite Möglichkeit führt durch Abspaltung von C 0 2 und H 2 0 von Prephensäure zur Phenylbrenztraubensäure. Ί)ΏΟΣ)

Aminosäuren

CH2—C—COOH

ο C H 2 — C —COOH

-C02 -H,0

Phenylpropan

OH^I Prephensäure

Phenylbrenztraubensäure

Wie erwähnt kann der Benzolring des Phenylpropans vielfach durch Hydroxyund Methoxygruppen in vicinaler Stellung substituiert sein. Die Propylseitenkette ist ebenso Veränderungen unterworfen. Oxidationen, Kettenverkürzungen, Bildung einer Doppelbindung oder Cyclisierung durch Lactonbildung mit o-ständigen OH-Gruppen am Benzolring sind möglich.

~

r· u

2

ρ «ι 2

r M

3

Dehydrierung undOxidation der Seitenkette

— C H — C H — CHjOH

Zimtalkohol (Cinnamylalkohol)

Phenylpropan

- C H = C H —COOH

CH=CH—C

Zimtsäure (trans), Allozimtsäure(cis)

Zimtaldehyd ICinnamal)

Die Oxidationsprodukte Zimtalkohol, Zimtaldehyd und Zimtsäure sind typische Gewürzinhaltsstoffe. Ein Dihydroxyderivat der Zimtsäure ist die Kaffeesäure (3,4Dihydroxyzimtsäure). HO—^

— C H = C H —COOH OH Kaffeesäure

Cis-o-Hydroxy-Zimtsäure, wahrscheinlich in glykosidischer Bindung, bildet Lactone, ζ. Β. das Cumarin.

C=

0

-Η,Ο

"O H OH c i s - o - Hydroxy zimtsäure

Cumarin

2.5 Sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe

129

Cumarin, in der Pflanzenwelt weit verbreitet, ist unter anderem im Waldmeister und den Tonkabohnen enthalten. Seine Verwendung lag früher in der Herstellung von Fruchtessenzen und in der Parfumindustrie. Seit seine Giftigkeit für den Menschen bekannt ist, wird die Verwendung von Cumarin zur Herstellung von Genußmitteln in den meisten Ländern verboten. Verkürzung der Propylseitenkette und Oxidationen führen zum Benzylalkohol, Benzaldehyd und Benzoesäure: CH 2 OH

Benzylalkohol (enthalten im Nelkenöl, J a s m i n ö l , etc.)

C

Benzaldehyd ( B i t t e r m a n d e l ö l l Η

COOH

B e n z o e s ä u r e ( a l s E s t e r in Harzen)

Derivate von Benzaldehyd und Benzoesäure mit Hydroxy- und Methoxygruppen:

/

C—Η

Vanillin (Vanille)

COOH

Gallussäure (Gerbstoffe)

2.5.4 Pflanzeninhaltsstoffe mit gemischtem Bauprinzip Viele sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe zeigen einen gemischten Molekülaufbau. Meistens handelt es sich um eine Kondensation von p-Hydroxyzimtsäure mit einem oder mehreren Essigsäuremolekülen zu Cn-, Ci 3 - und sehr häufig zu C15Kondensaten. Die so verlängerte Seitenkette kann ihrerseits wieder cyclisieren. Es entstehen Verbindungen mit einem zusätzlichen carbo- und heterocyclischen Ring. Typische Vertreter dieser Ringbildungen sind die Flavone, welche als Blüten- und Pflanzenfarbstoffe eine große Bedeutung besitzen und daher im Kapitel Farbstoffe noch eingehend besprochen werden.

2 Ernährung - Allgemeines

-H20

OH

0

Ring Β inEnolform

OH

HO

Β

C

OH

Ο

Naringenin (4,5,7-Trihydroxyflavanon) (Naringenin-5- rhamnosido - g l u c o s i d ) (Bitterstoff der Orangenschalen)

Ο Flavanongrundgerüst

3 Böden, Dünger, Pflanzenhormone, Biocide In diesem Kapitel werden kurz einige Punkte dargestellt, die für den Pflanzenwuchs und damit für die Erzeugung pflanzlicher Nahrungsmittel von entscheidender Bedeutung sind. So stellt der Boden eine der notwendigen Voraussetzungen für den Wuchs von Landpflanzen dar. Der Ertrag wird wesentlich durch entsprechende Düngung, durch Pflanzenhormone und deren künstlichen Ersatz sowie durch Biocide beeinflußt.

3.1 Böden 3.1.1 Bildung der Böden Die Bildung unserer Böden, welche durch ihre Fruchtbarkeit je nach Vegetationszone die Grundlage eines mehr oder minder üppigen Pflanzenwuchses sind, hat bereits vor 200 Millionen Jahren begonnen. Durch Sonneneinwirkung, Temperaturschwankungen, Wasser, Frost, Sauerstoff und Kohlendioxid verwitterte das Gestein langsam und stetig. Bakterien und Flechten waren sicher die ersten Lebewesen. Später trieben auch höhere Pflanzen durch Pflanzensäuren an den Wurzelenden eine Umsetzung und weitere Verarbeitung des erodierten Materials voran. Abgestorbene Pflanzenreste, Zellulose- und Ligninbestandteile wurden vergoren und durch ligninspezifische Enzyme der Pilze, die Laccasen, abgebaut. So entstand der Humus als lockerndes und bindendes Material, in dem anorganische Salze und Wasser wie in einem Schwamm gespeichert sind. Die Bildung von guten Böden ist ein komplexes Zusammenwirken verschiedener Faktoren. Diese Böden zeigen unterschiedliche Mächtigkeit, in der Ukraine ζ. B. im Gebiet der Schwarzerde bis zu 3 m und mehr. Die mächtigsten Ablagerungen sind die Löße Zentralasiens mit bis zu 600 m Tiefe. Das gebildete Erdreich wird durch Winde Verblasen und durch Flüsse weiter bis zu den Weltmeeren transportiert, so daß man meinen könnte, mit der Zeit müßte am Festland der blanke Fels erscheinen. Es besteht jedoch ein dynamisches Gleichgewicht zwischen Verwitterung und Neubildung von Böden einerseits sowie ihrem Transport andererseits. Die Erosion ist naturgemäß beim Felsen am intensivsten, mit zunehmender Schichtdicke des Bodens nimmt die abbauende Wirkung der Witterungs- und atmosphärischen Einflüsse ab. Mit anderen Worten, gerade dort, wo die Abschwemmung am stärksten ist, wird relativ viel Erdreich durch Verwitterung nachgebildet.

132

3 Böden, Dünger, Pflanzenhormone, Biocide

3.1.2 Zusammensetzung der Böden 3.1.2.1 Mineralische Bodenbestandteile Die Gesteine werden auf Grund ihrer Entstehung gegliedert in: 1. Magmatische Gesteine, welche wieder in Ausbruchs- bzw. Ergußgesteine und Tiefengesteine unterteilt werden. 2. Absatz- bzw. Sedimentgesteine. Zu dieser Gruppe gehören mechanische Sedimente, das sind Trümmergesteine wie Schutt und Geröll, sowie chemische Sedimente. Diese werden aus wäßrigen Lösungen ausgeschieden. Schließlich gehören dazu organische Sedimente, welche aus Resten von Lebewesen zusammengesetzt sind. 3. Umwandlungsgesteine. Hier unterscheiden wir zwischen solchen, welche im Erdinnern ihre Umwandlung erfuhren, und jenen Gesteinen, die an der Erdoberfläche Veränderungen unterworfen sind. Magmatische Gesteine Unter magmatischen Gesteinen müssen wir uns jegliche Art von Lava bzw. Magma vorstellen. Sie unterscheiden sich durch die Art ihrer Abkühlung, ob im Erdinnern langsam unter Druck, oder an der Erdoberfläche rascher ohne Druck. Chemisch sind Tiefengesteine und Ergußgesteine gleich zusammengesetzt. Durch die langsame Abkühlung der Tiefengesteine sind diese grob kristallin, während Ergußgesteine eine feinere Struktur aufweisen. So ist ζ. B. der grob kristalline Granit (Tiefengestein) mit Quarzporphyr (Ergußgestein) in der Zusammensetzung identisch. Magmatische Gesteine setzen sich aus Quarz, Feldspäten (K-, Na-Feldspäten), Nephelin, Leucit sowie den Glimmerarten Muskovit und Biotit zusammen (vgl. Alumosilikate). Ferner sind Hornblende und Augit zu nennen. Andere Gemengteile wie Olivin und Apatit etc. kommen seltener vor und sind hier ohne Bedeutung. Quarz Quarz besteht durchweg aus Kieselsäureanhydrid Si0 2 , genauer (Si0 2 ) x . Dieses Kieselsäureanhydrid steht chemisch mit der Orthokieselsäure H 4 Si0 4 in folgendem Zusammenhang. OH OH I I HO —Si —0Η + HO — Si — OH-H,0 I I OH OH

I I HO —Si—0—Si —OH I I

Orthokieselsäure

Orthodikieselsäure

OH OH

OH OH

Aus zwei Molekülen H 4 Si0 4 entsteht unter Wasserabspaltung die Orthodikieselsäure H 6 Si 2 0 7 .

3.1 Böden

133

Gleich der Dimerisierung erfolgt eine Polymerisierung zur Kieselsäurekette, sog. Metakieselsäure (H 2 Si0 3 ) x . OH; —0 —

OHl

OHl

OH!

OH |

I I Ii I ! ] ! S i Η - Ο — S i - I - 0 — S i -+- 0 — S i - ι - Ο — Si - + Ii Ii Ii ι ! OH! Ii OH( OH] OHL 0H|

Der polymeren Kette folgen Band- und Blattstrukturen, bis schließlich die totale Wasserabspaltung zur dreidimensionalen Kristallstruktur des Quarzes (Si02)x führt. Die räumliche Molekülform der Orthokieselsäure entspricht einem Tetraeder. Wir können die oben genannte Polymerisierung daher schematisch folgendermaßen wiedergeben (Abb. 3-1). Alumosilicate

Kommt mit solchen Kieselsäureformen und -aggregaten ein Aluminiummineral in Kontakt, so verdrängt das reaktionsfähigere Aluminium das reaktionsschwächere Silicium teilweise aus dem Molekül- und Kristallsystem. Durch die Dreiwertigkeit des Aluminiums kommt es gegenüber dem vierwertigen Silicium zum Defizit von einer Wertigkeit pro Aluminiumatom. Dieser Wertigkeitsunterschied wird durch die zusätzliche Bindung von einem Alkaliatom pro Aluminiumatom oder von einem Erdalkaliatom für 2 Aluminiumatome kompensiert; auch andere Metallatome können zur Auffüllung der Wertigkeitslücke herangezogen werden. Diesen zusätzlichen Metallionen kommt insofern eine Bedeutung zu, als mit ihnen auch Anionen in das Kristallgefüge eingebaut und auf diese Weise wertvolle Mineralsalze bzw. Düngesalze im Boden festgehalten werden. Vielfach können die so gebundenen Alkaliionen im Boden durch die Anwendung von konzentrierteren Salzlösungen (Dünger) ausgetauscht werden. Der Effekt des Ionenaustausches ist für die Düngefähigkeit von Böden von wesentlicher Bedeutung. Zu den Alumosilicaten gehören unter anderem die vorhin angeführten Feldspäte, Nephelin, Leucit und Glimmer, ebenso Hornblende und Augit. Als Beispiel für die Zusammensetzung sei der Kalifeldspat (Orthoklas) angeführt, KAlSi 3 0 8 . Man kann sich den Kalifeldspat so vorstellen, daß jedes vierte Si-Atom im Si0 2 durch Al 3 + - bzw. K + -Ionen ersetzt wird. Man erhält dann KA10 2 (Si0 2 ) 3 bzw. als Bruttoformel KAlSi 3 0 8 . Das gleiche gilt auch für den Natronfeldspat (Albit). Orthoklas (Kalifeldspat)

Κ Al Si 3 0 a : Κ Al 0 2 • 3 Si 0 2

Formal ist jedes vierte Si 4 *-lon in Si 0 2 durch ein Al 3+ -tan ersetzt und zum Ladungsausgleich ein K ^ l o n hinzugefügt: _ Si 0 2 = S i t 0 e

Weitere Beispiele: Nephelin: NaAlSi0 4 Leucit: KAlSi 2 0 6

+Al3++K+ —^KAlSi

3

O

e

.

134

3 Böden, Dünger, Pflanzenhormone, Biocide OH

Metakieselsäuren

(H2Si03)x

x=3,6,°°

fK < > < > < Μ Μ >< Μ Μ Μ > < > < Χ < Μ Χ > < > -< Μ >-

4

Kieselsäurekette (HjSOJoo

Μ

Μ

Kieselsäureband (H 6 SiA)oo

Tetraederanordnung im Kristallgitter des (SiOJ „

Μ

Kieselsäureblatt (H,Si?05)=o

(Cristobalit)

A b b . 3 - 1 : S c h e m a t i s c h e Z u s a m m e n s t e l l u n g der K i e s e l s ä u r e n in Tetraederform ( n a c h Wiberg).

Holleman-

3.1 Böden 135 Bei Nephelin ist jedes zweite Si-Atom im Si0 2 durch Na + und Al 3+ ersetzt, beim Leucit jedes dritte Si-Atom durch K + und Al 3+ . Etwas komplizierter, jedoch nach ähnlichen Prinzipien, sind Glimmer, Augit und Hornblende aufgebaut. Nephelin

Να Al Si 0 4

:

Leucit

Κ Al S i 2 0 6

:

Να A l 0 2 · Si 0 2 Κ A l 0 2 · Si 0 2 • S i 0 2

Absatz- bzw. Sedimentgesteine Nach der Art der Entstehung unterscheiden wir zwischen mechanischen, chemischen und organischen Sedimenten. a) Mechanische Sedimente: Sie sind die ersten Produkte der Verwitterung, einer Zerkleinerung der Gesteine durch Wind, Sonne, Regen, Eis zum sog. Verwitterungsschutt, der je nach Lage als Moränenschutt (Gletscherregion), Gehängeschutt (Gebirge) etc. bezeichnet wird. Werden diese Schuttmassen durch das Gletschereis transportiert, sprechen wir von Geschiebe. Erfolgt der Transport durch Wasser, erhalten wir Geröll oder Schotter mit abgerundeten Kanten. Eine weitere Zerkleinerung führt zu Sand. Werden noch eckige oder kantige Schuttmengen durch feinere Bestandteile, ζ. B. Kalk, verbacken, nennen wir das Breccie, bei gerolltem Material Konglomerat, bei sandigen Produkten Sandstein. Eine besondere Gruppe der mechanischen Sedimente stellen die Tone dar. Die Grundsubstanz ist hier Ton; das sind schuppenartige Teilchen, welche durch Verwitterung von Alumosilikaten, meist Feldspäten, entstanden sind und nun durch irgendeine tektonische Kraft zum Tongestein gepreßt wurden. Meist ist das Tongestein durch Glimmer, Sand, Kalk und andere Carbonate verunreinigt und enthält dadurch charakteristische Färbungen von grau bis braun. Reiner Ton ist weiß und wird als Porzellanerde (Kaolin) bezeichnet. Verunreinigter Ton ist uns als Lehm bekannt, Ton mit Kalkgehalt als Mergel. Werden mit etwas Kalk verunreinigte Tonteilchen durch den Wind transportiert, so entstehen mitunter mächtige Ablagerungen von sog. Löß. Solche Lößböden sind ausgesprochen fruchtbar. Durch die Quellfähigkeit bzw. Wasseraufnahmekapazität der Tone können Lößböden das für den Pflanzenwuchs wichtige Wasser und damit die verschiedensten Nährsalze festhalten. b) Chemische Sedimente: Darunter verstehen wir alle Substanzen, welche aus wäßrigen Lösungen ausgeschieden werden. Hierher gehören Kalkgestein, Gips und alle übrigen Erdalkali- und Alkalisalze, wie sie oft in großen Salzlagern anzutreffen sind. Auch Schwermetallsalze wie z.B. Eisen- und Kupfercarbonate, wenn auch seltener, zählen zu den chemischen Sedimenten. Je nach ihrer Löslichkeit werden diese Salze durch Quell- und Sickerwässer mehr oder weniger gut gelöst und nach Verdampfen des Wassers aus den nun konzentrierteren Lösungen in Kristallform ausgeschieden. Vielfach sind es nur mikrokristalline bis amorphe Rückstände, die sich schichtweise im Gestein vorfinden.

136

3 Böden, Dünger, Pflanzenhormone, Biocide 111111111111111111111111 111111111111111111111111 111111111111111111111111

H2 0 -bodennahe Luftschicht

x x x 0 0

xxxxxxxxx xxxxxxxxx xxxxxxxxx 000000000 000000000

C02 -Humus

)

-Kalkgestein

CaC0 3

kalkhaltiges W a s s e r . . . Ca (H C03)2

Abb. 3-2

Dem Auflösen von Gesteinsmaterial kann oftmals eine chemische Reaktion zu Grunde liegen. Als Beispiel wollen wir Kalkwässer- und Süßwasserkalkablagerungen (Travertin) betrachten (Abb. 3-2). Das gebirgsbildende Kalkgestein besteht aus sekundärem Calciumcarbonat, CaC0 3 . Dieser Kalkstein ist an sich nur sehr schwer wasserlöslich, praktisch als wasserunlöslich zu bezeichnen. Bildet sich durch abgestorbene Pflanzenteile eine Humusschicht, so wird in dieser das kohlensäurehaltige Regenwasser festgehalten. Außerdem kommt es in solchen Schichten zu verschiedenen Gärungen, durch welche ebenfalls C0 2 -Gas freigesetzt wird. Ca C0 3 + HjO + C 0 2 -

Hitze

*" Ca ( H C 0 3 )2

Das Kalkgestein reagiert mit Kohlensäure im Sinne obiger Gleichung. Aus dem fast unlöslichen, sekundären Calciumcarbonat hat sich das wesentlich besser lösliche Calciumhydrogencarbonat gebildet. Bringen wir so ein kalkhaltiges Wasser zum Sieden, kehrt sich die Reaktion um und es entsteht wieder Calciumcarbonat, dieses Mal als Kesselstein, der vielfach bei Thermalquellen angetroffen wird. Ähnliche Lösungsvorgänge finden wir beim Dolomitgestein, einem sekundären Calcium-Magnesiumcarbonat C a C 0 3 · MgC0 3 . c) Organische Sedimente: Zu ihnen rechnet man Reste von abgestorbenen Lebewesen vor allem früherer erdgeschichtlicher Perioden. Hierher gehören kalkhaltige Gehäuse von Muscheln und Schnecken, sog. Muschelkalk (Trias bis Kreide), weiter die kieselsäurehaltigen Schalen der Diatomeen, welche verwittert als Kieselgur bezeichnet werden. Pflanzliche Restprodukte bilden Torf, in der Folge Braunkohlen- und Steinkohlenlager. Abgestorbene animalische Lebewesen, meist Fische der Triaszeit, liefern Bitumen, Erdöl und Asphalt. Die Humusbildung gehört erdgeschichtlich der Neuzeit an (s. Kapitel 3.1.2.3).

3.1 Böden

137

Umwandlungsgesteine Umwandlungsgesteine können grundsätzlich im Erdinnern oder an der Erdoberfläche entstehen. Gelangt ζ. B. Granit durch tektonische Vorgänge wieder ins Erdinnere, so werden durch den dort herrschenden hohen Druck seine Bestandteile Quarz, Feldspat und Glimmer geschichtet. Ein so geschichteter Granit heißt Gneis. Wir sprechen allgemein von kristallinen Schiefern. Quarz und Glimmer gut geschiefert, bezeichnen wir als Glimmerschiefer. Enthalten diese Schiefer noch Tonbestandteile, nennen wir sie Tonglimmerschiefer oder Phyllit. Die Umwandlungsgesteine an der Erdoberfläche sind Produkte der Verwitterung, über die wir schon eingangs gesprochen haben. Solche Verwitterungsprodukte sind Kaolin, aus Feldspäten entstanden, und der aus ähnlichen Alumosilikatgesteinen entstandene und relativ weit verbreitete Bauxit (Bauxiterde). 3.1.2.2 Nichtmineralische Bodenbestandteile Seit Millionen von Jahren synthetisieren grüne Pflanzen aus C 0 2 , Wasser und Sonnenlicht organische Verbindungen. Da sie irgendwann einmal auch absterben, müßte es theoretisch zu einer enormen Anreicherung von pflanzlichen Restprodukten kommen. Dennoch bestehen unsere Böden zum überwiegenden Teil aus mineralischen Bestandteilen. Erdgas-, Erdöl-, Braun- und Steinkohlenlager machen nur einen verhältnismäßig geringen Anteil bezogen auf die anfallende Gesamtmenge organischen Materials aus. Dieses scheinbar verschwundene pflanzliche und tierische Material wurde von Pilzen und Bakterien abgebaut. Die Vielzahl von Bakterienarten bietet fast für jedes Material Spezialisten an, in ihrer Gesamtheit sind sie gleichsam omnipotent. Nur wenige organische Substanzen zeigen eine Pilz- und Bakterienresistenz. Der spezielle Abbau organischer Bodenbestandteile erfolgt je nach Beschaffenheit unterschiedlich schnell. Wir wollen uns in der Folge auf die wesentlichen Pflanzenbestandteile beschränken, nämlich Cellulose mit 40-70%, Hemicellulose (Xylan) mit 20-30% und Lignin mit 10-30%. Celluloseabbau Lignininkrustierte Cellulose wird besonders von Pilzen der Gattung Chaetomium und Fusarium bevorzugt in sauren Böden abgebaut. Diese Pilze scheiden Cellulasen ab, welche durch enzymatische Prozesse den Celluloseabbau ermöglichen. Nach Art des Abbaues unterteilen wir das Cellulasesystem in 3 Abschnitte: 1. Spaltung der /8-1,4-glykosidischen Bindung durch Endo-/?-l,4-glucanasen und Bildung von großen Kettenstücken. 2. Exo-/M,4-glucanasen spalten vom Kettenende her in dimere Cellobiosestücke. 3. Hydrolyse der Cellobiose durch Glucosidasen zu Glucose. Der bakterielle Abbau von Cellulose erfolgt aerob, d.h. in gut durchlüfteten Böden, durch Eubakterien und Myxobakterien, anaerob durch Clostridien (Cellu-

138

3 Böden, Dünger, Pflanzenhormone, Biocide

losegärung). Der Chemismus des bakteriellen Celluloseabbaues ist nur teilweise geklärt. Wahrscheinlich handelt es sich beim bakteriellen Abbau nicht um ein Cellulasesystem im oben beschriebenen Sinne, denn bei einschlägigen Laborversuchen konnte bis jetzt eine extrazelluläre Cellulase nie nachgewiesen werden. Hemicelluloseabbau Hemicellulose oder besser Xylane finden sich vor allem in Bast und Stroh, Laubholz (20%), etwas weniger im Holz von Nadelbäumen (10%). Pentosane und Hexosane unterscheiden sich von Cellulose durch den Gehalt an Uronsäure. Im übrigen bestehen sie aus celluloseähnlichen Molekülabschnitten. So wird es verständlich, daß viele celluloseabbauende Mikroorganismen auch Xylane abbauen, d. h. Xylanasen produzieren. Auch hier dominieren in sauren Böden Pilze, in neutralen und schwach basischen Böden sind es Bakterien (Clostridien). Der Abbau der Xylane erfolgt zum Unterschied von Cellulose an verschiedenen Stellen gleichzeitig. Als Endprodukte treten Xylose, aber auch Xylobiose auf. Ligninbildung und -abbau Lignin entsteht in den verholzenden Zellen des Cambiums. Zum Unterschied von Cellulose ist es kein Polysaccharid, sondern ein polymeres Produkt, welches aus Dehydroconiferyl-Alkohol aufgebaut ist. Die Bildung des Lignins erfolgt im Zellsaft aus dem Glykosid Coniferin, das durch Glucosidasen zu Glucose und Coniferylalkohol zerlegt wird. Der Coniferylalkohol wird durch Dehydrogenasen (Laccasen*) dehydriert, es bilden sich Radikale, die zu Lignin polymerisieren.

Coniferin

Coniferylalkohol

Bildung von Radikalen durch Spaltung der Doppelbindung und Abgabe eines H-Atoms.

* Laccasen können auch als p-Polyphenoloxydasen bzw. p-Diphenoloxydasen bezeichnet werden, denn sie oxidieren auch Hydrochinon zu Chinon.

3.1 Böden Dimerisation

Dehydrodiconiferylalkohol

139

OH

Pinoresinol

Die Radikale stabilisieren sich vorerst unter Bildung von dimeren Produkten wie ζ. B. Dehydrodiconiferylalkohol und Pinoresinol. Dehydrodiconiferylalkohol

OCHj

ν Pinoresinol

140

3 Böden, Dünger, Pflanzenhormone, Biocide

Die Bildung des Lignins gibt dem Holz erst die richtige Festigkeit (Naßfestigkeit); das Gewebe wird durch die Verholzung aber gleichzeitig äußeren Einflüssen entzogen, so daß ein Abbau in der Pflanze selbst nicht mehr möglich ist. Der Abbau des Lignins wird hauptsächlich durch Pilze (Basidiomyceten), also von außen her, in Angriff genommen - sogenannte Weißfäule des Holzes. Solche Pilze erzeugen Laccasen, welche das Lignin in monomere Einheiten zerlegen. Wie schon öfters sehen wir auch hier ein Enzym, das sowohl den Aufbau als auch den Abbau derselben Substanz katalysiert. 3.1.2.3 Humus Unter der Bezeichnung Humus verstehen wir die verschiedensten amorphen organischen Substanzen des Bodens, welche durch Mikroorganismen relativ schwer zerlegbar sind und daher beim Abbau von abgestorbenem Pflanzenmaterial übrigblieben. Es sind vor allem Lignin, Proteine, Wachse, Fette und restliche Kohlenhydrate. Durch Klein- und Kleinstlebewesen im Boden (Würmer, Protozoen, Pilze, Bakterien) werden die genannten Stoffe mit der Zeit in schwer definierbare, polymere organische Stoffe zerlegt und umgebaut. Diese Kleinlebewesen sind unter anderem für die Struktur des Bodens, die Krümelung und Durchlüftung verantwortlich. Mit der Humifizierung von abgestorbenem Pflanzenmaterial erfolgt im allgemeinen eine Anreicherung der Böden mit Stickstoff. Dieser organisch gebundene Stickstoff ist jedoch für die Pflanze kaum verwertbar. Die Bedeutung des Humus für den Boden liegt vor allem in der Eigenschaft der polymeren Moleküle, durch ihre Oberflächenladung Ionen wertvoller Düngesalze zu adsorbieren. Um diese Salze zu nutzen, werden von der Pflanze über die Wurzelspitzen Η + - I o n e n abgegeben und gegen humusgebundene Kationen ausgetauscht. Ähnliche Vorgänge spielen sich auch an den makromolekularen Tonpartikelchen ab. Wir sprechen hier von organischen und anorganischen Ionenaustauschern, dem sog. Sorptionskomplex des Bodens. pH-Abhängigkeit der Humusqualität Wir haben gesehen, daß die Qualität des Bodens und damit das Gedeihen der Pflanzen mit den physikalischen und chemischen Eigenschaften des Bodens eng verbunden ist. Für die Qualität des Humus und den damit verbundenen mikrobiellen Umsetzungen ist auch der pH-Wert des Bodens von entscheidender Bedeutung. Bei der Humifizierung werden nämlich in größerem Umfang Humussäuren gebildet. Es handelt sich hier um chemisch noch wenig bekannte oxypolymere, kolloidale, saure Verbindungen, welche sich besonders in kalkarmen Nadel- und Heidewäldern im Boden anreichern. Solche saure Böden werden nur von einer beschränkten Anzahl von Pflanzenarten, den sogenannten Kalkfliehern, vertragen (Heidelbeeren, Rhododendren etc.). Humussäuren bilden auf Grund ihres sauren

3.2 Düngung

141

Charakters mit Kalk und anderen basischen Mineralstoffen Salze, sog. milden Humus. Nur in einem solchen milden Humus kann sich das nötige Bodenleben ausbilden, das für die Qualität des Bodens so wertvoll ist.

3.2 Düngung 3.2.1 Nährstoffbedarf der Pflanzen Bis zu jener Zeit, als der Mensch begann, den Boden mit Kultur- und Nutzpflanzen zu bebauen, standen Pflanzen- und Tierwelt in einem biologischen Gleichgewicht. Abgestorbene Pflanzen und Tiere verwesten, die Verwesungsprodukte waren Ausgangsmaterialien für die weitere bakterielle Zersetzung im Boden zu Nährsalzen, welche letztlich einen erneuten Pflanzenwuchs ermöglichten. Erst als durch intensive Nutzung dem Boden Nährstoffe entnommen und nicht mehr in demselben Maße zurückgegeben wurden, verarmten die Böden und der Ertrag ließ nach. Bald reichte auch die überlieferte Art der Düngung mit Stallmist, Kompostieren und dergleichen nicht mehr aus, um die Fruchtbarkeit der Böden für den gesteigerten Nahrungsbedarf der Menschheit zu gewährleisten. Die Anwendung des Kunstdüngers wurde zur zwingenden Notwendigkeit, ohne den die Weltbevölkerung heute nicht mehr ernährt werden könnte. Durch gezielte Düngegaben werden heute Böden nicht nur regeneriert, sondern auch ertragsschwache, an sich arme Böden verbessert. Nun ist es nicht so, daß durch eine einheitliche generelle Düngung jeglicher Pflanzenwuchs gefördert werden kann. Vielmehr stellen alle Pflanzen, insbesondere Kulturpflanzen, verschiedene Ansprüche an die Bodenbeschaffenheit und den Nährstoffgehalt. Viele Pflanzen gedeihen zwar auf jedem Boden, aber daneben kennen wir sogenannte bodenstete Pflanzen, die gleichsam als „Bodenanzeiger" dienen. Saure Böden mit einem hohen Gehalt an Humussäure werden ζ. B. von Heidekraut, Rhododendron, Heidelbeeren etc. bevorzugt. Auf kalkreichen Böden mit neutraler bis schwach basischer Reaktion finden wir ζ. B. Seidelbast, Silberdistel, Leberblümchen, behaarte Alpenrose etc., stickstoffreiche Böden werden von Brennesseln und Gänsefußarten bewachsen.

Mit anderen Worten, Düngungen müssen gezielt vorgenommen werden, je nach Ertragswünschen und Pflanzenart. Tabelle 3-1 gibt einen Überblick über die Nährstoffaufnahme einiger Kulturpflanzen in kg/ha und Jahr. Außer den in Tab. 3 - 1 angeführten Nährstoffen sind für eine gesunde Pflanzenentwicklung noch Eisen, Magnesium und weitere Spurenelemente zu nennen sowie selbstverständlich entsprechendes Licht, Kohlendioxid, ein ausgeglichener Wassergehalt, Wasserdurchlässigkeit, geeignete Bodenstruktur, Durchlüftung und Erwärmbarkeit sowie ein geeigneter pH-Wert. Das Pflanzenwachstum und damit verbunden der Ernteertrag wird durch das „Ertragsgesetz des Minimums" bestimmt. Dieses besagt, daß eine Pflanze in ihrem

142

3 B ö d e n , Dünger, P f l a n z e n h o r m o n e , B i o c i d e

Tabelle 3 - 1 : Jährliche Nährstoffaufnahme einiger Kulturpflanzen in kg pro Hektar ^~\Nährstoff

Ν

Ρ

Κ

Ca

Bohnen Gerste Heu Kartoffeln Roggen Weizen Zuckerrüben

150 50 90 90 50 70 150

40 25 40 40 30 30 60

110 55 120 160 60 50 180

50 15 80 50 15 12 120

Wuchs solange gefördert werden kann, bis die für jede Pflanze charakteristischen Minima der oben genannten essentiellen Faktoren (Tab. 3-1) erreicht sind. Wird ein Faktor über das Minimum hinaus der Pflanze angeboten, erfolgt keine wesentliche Aufnahme desselben und keine Wachstums- oder Ertragssteigerung. So benötigt z.B. Weizen 70kg Stickstoff, 50kg Kalium, 30kg Phosphor und 12kg Calcium pro Hektar. Ist der Boden z.B. arm an Calcium, d.h. liegt sein Gehalt unter 12kg/ha, so kann durch noch so hohe Stickstoffgaben keine Wachstumssteigerung erfolgen. Wird das Minimum an Calcium von 12 kg/ha/Jahr durch Düngung erreicht, kann das Wachstum bis zu einem Ertrag, der durch diese Calciummenge gegeben ist, gefördert werden. Eine weitere Steigerung des Ertrages wäre möglich, sofern noch ein anderer Faktor in ungenügender Menge vorliegt, ζ. B. Phosphor unter 30 kg/ha und Jahr; hier ist eine Phosphatdüngung förderlich und sinnvoll. Meistens sind nicht alle lebenswichtigen Wachstumsfaktoren in optimalem Maße vorhanden, so daß der Pflanzenwuchs in der Natur vielfach stark eingeschränkt wird. So fehlt es in der Wüste an Wasser, in nördlichen Breiten an Wärme, oder die Böden sind an sich stickstoff- oder phosphorarm.

3.2.2 Dünger Nach Art der Dünger unterscheiden wir: a) Wirtschaftsdünger wie Jauche, Mist, Kompost, Hornspäne, Fischabfälle, Meeresschlick, Steinmehl etc. und b) Handelsdünger, auch Kunstdünger genannt. Hierher gehören Ammonsalpeter, Chilesalpeter, Ammonsulfat, Kalisalze, Calciumnitrat, Kalkstickstoff, Thomasmehl, Rhenaniaphosphat, Harnstoff etc. Es sind vielfach Produkte, die aus natürlichen Salzlagerstätten abgebaut und in Düngemittelfabriken chemisch verändert werden. Auch Abfälle aus der Eisenverhüttung wie das Thomasmehl oder gezielt hergestellte Produkte wie Harnstoff oder die große Zahl der Stickstoffdünger, welche nach dem Haber-Bosch-Verfahren gewonnen werden, gehören dazu.

3.2 Düngung 143 Ε »= ™ £

[•£3 nicht mischbar §

(NH 4 ) 2 S0 4 NH,CI

[

knapp vor der Aussaat mischen j gemischt lagerfähig

Kail· Mergel Kail· stickstoff Thomasm. Rhenaniaph.m.

W K^.MgSO,

Superphosphat Kalidünger Kainit Ca(N0 3 ) 2 Abb. 3-3

Der Handelsdünger wird nach seiner Zusammensetzung unterteilt in Einzel-, Misch- und Volldünger. Einzeldünger enthalten entweder Stickstoffverbindungen oder K-, Ca-, Mg- oder Phosphorverbindungen. Ν, Ρ, K, Ca und Mg werden als Kernnährstoffe bezeichnet. Stickstoffdünger werden ζ. B. in Form von Ammoniumsulfaten oder -nitraten, Kalidünger als Kaliumnitrat oder -phosphat, Phosphordünger als Calcium- oder Magnesiumphosphate angewandt. Wir sehen, von ihrer Zusammensetzung her sind die meisten Dünger Mischdünger, d.h. sie enthalten zwei oder mehr Kernnährstoffe. Solche Dünger werden auch als Mehrnährstoffdünger in den Handel gebracht. Enthalten Dünger alle fünf Kernnährstoffe und dazu noch die essentiellen Bestandteile Eisen, Schwefel und Spurenelemente, werden sie als Volldünger bezeichnet. Auf Grund ihrer chemischen Zusammensetzung können Einzel- und Mischdünger nicht wahllos mit anderen Düngern vermischt werden. Die Abbildung 3-3 zeigt, welche Kombinationen von Düngern möglich sind. Der Handelsname der verschiedenen Düngesalze weicht von der exakten chemischen Bezeichnung vielfach ab. Tabelle 3-2 soll darüber Klarheit schaffen. Die nun folgenden Mischdünger können gemischte Handelsdünger (Tab. 3-3) oder Mischungen von Handelsdünger mit Wirtschaftsdünger, ζ. B. Hornspänen, Kompost etc. sein. Der Gehalt an Stickstoffsubstanzen wird auf das Element Ν umgerechnet. K-, Ca- und Phosphorsalze werden auf die Oxide K 2 0, CaO und P 2 0 5 bezogen. Besteht ζ. B. ein Dünger aus 40% K 2 0, so enthält er soviel Kaliumsalze, daß ihre Gesamtheit 40% K 2 0 entspricht. Zur Umrechnung bzw. Berechnung werden die entsprechenden molaren Massen der jeweiligen Kaliumsalze,

144

3 Böden, Dünger, Pflanzenhormone, Biocide

Tabelle 3-2: Überblick über chemische Zusammensetzung, chemische Bezeichnung und Handelsname verschiedener Düngesalze Formel

ehem. Bezeichnung

Handelsname

Stickstoffdünger (NH 4 ) 2 S0 4

sek. Ammoniumsulfat

NH4OH

Ammoniumhydroxid

H 2 N-C-NH 2 II 0 Ca(N0 3 ) 2

Harnstoff (Diamid der Kohlensäure)

Harnstoff

Calciumnitrat

Kalksalpeter

Ca = N—C = N

Calciumcyanamid

Kalkstickstoff

NH4CI CaC0 3

Ammoniumchlorid sek. Calciumcarbonat

Kalkammoniak

Ammoniumnitrat sek. Calciumcarbonat

Kalkammonsalpeter

. GemlSCh

NH4NO3 CaC0 3

„

. ,

GemiSCh

Ammonsulfat

Kalidünger* KCl · MgS0 4 · 3H 2 0

Kaliumchlorid-Magnesiumsulfat als Doppelsalz

Kainit, (in den permischen Salzlagern von Staßfurt)

NaCl + KCl

Natriumchlorid-Kaliumchlorid

Sylvinit

Phosphordünger Ca(H 2 P0 4 ) 2 2(CaS0 4 -2H 2 0) Gemisch

primäres Calciumphosphat + sek. Calciumsulfat

Superphosphat

Ca(H 2 P0 4 ) 2

prim. Calciumphosphat

Doppelsuperphosphat

Ca 4 P 2 0 9 Ca 2 Si0 4

Tetracalciumphosphat. Calciumsilikat

Thomasmehl

P 2 0 5 -Si0 2 -Ca0-Komplex

Rhenaniaphosphat

* Der Name „Kali" stammt aus dem Arabischen alkali = Pflanzenasche; Pflanzenasche ist reich an Kalium.

ζ. B. K 2 S0 4 , zur molaren Masse von K 2 0 in das Verhältnis gesetzt. Daraus ergibt sich die unbekannte Menge K 2 0: molare Masse

molare Masse

K 2 S0 4

KjO

=

bekannte Masse

MasseX

K2S04

K20

Die Berechnungen des N-, P2O5- und CaO-Gehaltes erfolgen analog. Nun gilt es weiter zu berücksichtigen, wieviel vom Düngerangebot von den sog. Wurzelsäuren aufgelöst und genutzt werden kann. Dazu wird angenommen, daß die Stärke der Wurzelsäuren etwa einer 2%igen Citronensäure entspricht. Die an-

3.2 Düngung

145

Tabelle 3-3: Typische Mischdünger, ihr Handelsname, die Zusammensetzung und Anwendung Handelsname

Zusammensetzung

Anwendung

Kalkammoniak

NH 4 Cl + CaC0 3 15%N + 35%CaC0 3

Frühjahr, alle Böden; nicht für Cl~-empfindliche Pflanzen

Kalkammonsalpeter

NH4NO3 + CaC0 3 20%N + 35%CaC0 3

alle Böden, alle Pflanzen, auch als Kopfdünger

Kalkphosphat- Kali

9%P 2 0 5 + 15%K 2 0 + CaC0 3

Gemüse, Topfpflanzen, alle Böden

Kali-Phosphat „Staufen"

52%P 2 0 5 + 34%K 2 0

Gemüse, Topfpflanzen, alle Böden

Hakaphos

(NH 2 ) 2 C0 + K 2 S0 4 + (NH 4 ) 2 HP0 4

Gemüse, Topfpflanzen, alle Böden

Kali-Röchlingphosphat

11 % P 2 0 5 + 17% K 2 0

Gemüse, Topfpflanzen, alle Böden

gegebenen Werte der Düngemittelzusammensetzung beziehen sich daher nur auf citronensäurelösliche Substanzmengen und nicht auf unlösliche, von den Pflanzen nicht verwertbare Mineralangebote. In diesem Sinne leicht lösliche Dünger werden für bewachsene Anbauflächen verwendet; sie heißen Kopfdünger. Im Gegensatz dazu werden Grunddünger einige Zeit vor der Aussaat gestreut. Sie sind schwerer löslich und daher langsamer wirksam. Zu ihnen gehören u. a. das Thomasmehl und Rhenaniamehl. Herstellung einiger wichtiger Handelsdünger Ammoniaksynthese

nach

Haber-Bosch

Zu den wichtigsten Stickstoffdüngern gehören die verschiedenen Ammoniumverbindungen wie Ammoniumphosphat, -sulfat etc. Ihre Herstellung erfolgt durch einfache Reaktion von Ammoniak mit den entsprechenden Säuren. 2 NH3 + H2S04

( NH4)2SO