Taschenlehrbuch Biologie - Evolution - Oekologie

Ein wichtiges Qualitätsmaß von Böden ist die Kationenaustauschkapazität , welche die Menge an durch Protonen austauschbaren Kationen angibt. Die Kationenaustauschkapazität wird von den vorherrschenden Tonmineralien und dem Gehalt an organischer Substanz im Boden bestimmt.
Biologische Bedeutung von Mineralstoffen
    Das Körpergewebe von Lebewesen besteht meist zu über 90 % aus Wasser. Die Trockensubstanz besteht zu ca. 40 % aus Kohlenstoff, 50 % aus Sauerstoff, 5 % aus Wasserstoff und 5 % aus Mineralstoffen. Der Gehalt von Mineralstoffen kann durch Veraschung des Gewebes bestimmt werden und variiert bei Pflanzen meist zwischen 3 und 8 %. Mineralstoffe sind essentielle Komponenten der Ernährung von autotrophen und heterotrophen Organismen, ihre Aufnahme erfolgt jedoch in unterschiedlicher Form. Autotrophe Organismen decken ihren Mineralstoffbedarf über die Aufnahme von gelösten Ionen , heterotrophe Organismen nehmen sie über Fraß von biotischen Ressourcen auf.
    Mineralstoffe von Pflanzen werden nach der Menge des Bedarfs und damit den Gehalten in pflanzlichem Gewebe in Makro- und Mikronährstoffe eingeteilt. Makronährstoffe (Makroelemente) haben direkten Anteil an Stoffwechselvorgängen und sind in allen Pflanzen in relativ hohen Konzentrationen vorhanden. Das bedeutendste Element ist dabei Stickstoff. Phosphor spielt als wesentliches Element in den Energieträgern der Zelle und in Nucleinsäuren ebenfalls eine zentrale Rolle. Mikronährstoffe (Mikroelemente) sind vor allem Schwermetalle, z. B. Mangan und Kupfer, die als reaktive Zentren in Enzymen und Pigmenten benötigt werden.
    Die Bedeutung von Mineralstoffen als limitierende Elemente für Pflanzenwachstum hängt nicht nur von der Konzentration an Oberflächen, sondern auch wesentlich von ihrer Mobilität in Böden ab. Mineralstoffe werden von Pflanzen als Ionen aufgenommen. Ihre Verfügbarkeit hängt dabei von der Konzentration der Ionen in der Bodenlösung und von Sorptionsprozessen an Oberflächen ab. Stickstoff wird von Pflanzen in Form von Nitrat () und vor allem in sauren Böden auch als Ammonium () aufgenommen, Phosphor dagegen als Phosphat (). Da die Oberflächen von Tonmineralien und Humuspartikeln vor allem negative Ladungen tragen, sind Kationen weniger mobil als Anionen.
    Außerdem hängt die Mobilität von der Wertigkeit der Ionen ab. Höherwertige Ionen werden an Oberflächen wesentlich stärker gebunden als niederwertige. Nitrat ist damit im Boden mobiler als Ammonium, Phosphat ist als dreiwertiges Ion besonders immobil. Die verstärkte Aufnahme von Nitrat im Vergleich zu Ammonium durch Pflanzen hängt damit auch mit der stärkeren Mobilität von Nitrat zusammen. Starke Mobilität bedeutet jedoch auch, dass diese Ionen leicht aus Böden ausgewaschen werden können und damit dem System verloren gehen.
    Insbesondere in landwirtschaftlichen Böden mit hohem Eintrag von Mineraldüngern können hohe Nitratwerte im Trinkwasser auftreten. Dies ist unerwünscht, da Nitrat im Darm durch Bakterien zu Nitrit reduziert wird und dieses Hämoglobin zu Methämoglobin oxidiert. Methämoglobin enthält dreiwertiges Eisen und gibt gebundenen Sauerstoff schwer wieder ab, was zur Methämoglobinämie führt, die insbesondere bei Säuglingen zum Ersticken führen kann („ Blausucht “). Das unter geringer Sauerstoffsättigung durch Nitratreduktion im Darm gebildete Nitrit kann sich mit Aminosäuren zu krebserregenden Nitrosaminen verbinden.
    Besonders mobile Elemente in Böden sind Na + und Cl – . Da der Bedarf von Pflanzen an diesen Ionen relativ gering ist, werden sie mit dem Sickerwasser schnell ausgetragen, mit den Flüssen ins Meer transportiert und reichern sich dort an. Die relativ hohe Mobilität vonund die starke Bindung vonan Oberflächen in Böden ist dafür verantwortlich, dass in aquatischen im Gegensatz zu terrestrischen Systemen Phosphor und nicht Stickstoff als primär limitierendes Element für pflanzliches Wachstum auftritt.
    Die Aufnahme von Ionen durch die Pflanzenwurzel erfolgt vor allem im Bereich der Wurzelhaarzone. Ionen werden mit dem Wasserstrom zur Wurzel befördert oder folgen dem Konzentrationsgefälle durch Diffusion, wodurch es zu Anreicherung von Ionen im Apoplast der Wurzel kommt. Der Übertritt in den Zentralzylinder kann passivdurch Diffusion geschehen (z. B. Al 3+ ) oder durch aktiven Transport durch Ionenkanäle. Hierbei werden drei Transportmechanismen unterschieden:
Uniport: H + -Gradient bewirkt passiven Transport