Forschungsmethoden

Die Spurenelemente werden noch nicht lange von amerikanischen und europäischen Wissenschaftlern planmäßig erforscht. Die Gründe für ihre verhältnismäßig späte Entdeckung sind vor allem in Nachweisschwierigkeiten zu suchen. Wenn wir bedenken, daß z. B. bereits Tagesgaben von 0,001 bis 0,005 mg (= Milligramm) Vitamin B 12 bei einem erwachsenen Menschen von 70 kg den Ausbruch der bösartigen Blutarmut verhüten und daß der Kobaltgehalt des reinen Vitamin B 12 nur ca. 4,5% beträgt, wird uns sofort klar, daß die Nachweise von solch geringen Mengenverhältnissen eine außergewöhnlich chemische Präzisionsarbeit erfordern. Es ist keine Kleinigkeit, winzige Spuren von Bor, Kobalt, Kupfer, Jod und dergleichen in solch komplizierten Verbindungsgemischen wie Blut, Pflanzenorganen, Böden, Aschen usw. mengenmäßig exakt nachzuweisen.
Genaue chemische Nachweisverfahren mit kleinsten Stoffmengen wurden erst in den letzten Jahrzehnten ausgearbeitet. Man unterscheidet hier zwischen der sogenannten Mikroanalyse (Untersuchungssubstanz ca. 1 mg), der Ultramikroanalyse (Untersuchungssubstanz ca. 0,001 mg) und der Submikrogramm-Methode (Untersuchungssubstanz 0,00001 bis 0,000001 mg). In den USA wurden während des 2. Weltkrieges im Zusammenhang mit der Konstruktion der Atombombe äußerst äußerst raffinierte ultramikroanalytische Verfahren entwickelt, mit deren Hilfe z. B. Seaborg und seine Mitarbeiter alle wichtigen Eigenschaften und Reaktionen von Plutonium an einem halben Milligramm Substanz feststellten. Man verwendet hierzu z. B. Bechergläser und Reagenzgläser von 1/10 bis 1/100 000 cm3 Inhalt in Form feinster Kapillaren (sehr dünne Glasröhrschen), benützt Ultramikropipetten von 10y Fassungskraft, untersucht Niederschläge von 10-7g Gewicht, mißt kleinste Rauminhalte, wobei 1/1000 cm3 als Einheit dient usw.
Besondere Bedeutung haben beim Nachweis kleinster Stoffmengen die hochempfindlichen Mikrowaagen erlangt. Schon vor über 100 Jahren konstruierte Kuhlmann in Hamburg eine Mikrowaage, die bei einer Belastbarkeit von 20 Gramm noch 1y anzeigte. Corwin und Walter erstellten 1953 an der John-Hopkins-Universität in Amerika eine Waage von ähnlicher Empfindlichkeit: diese ist in ein Aluminiumgehäuse eingeschlossen, dessen Inneres höchstens Temperaturschwankungen von 0,01° aufweist. Die Ablesungen an der Skala erfolgen hier durch ein 200fach vergrößerndes Mikroskop. Die Mikro-Goldwaage von Sortorius in Göttingen hat bei einer Belastbarkeit von 10 Gramm noch eine Empfindlichkeit von 0,001 mg. Äußerst empfindlich ist auch die von Nernst vorgeschlagene Quarzfadenwaage, mit der man bei einer zweckmäßigen Höchstbelastung von einigen Zehntelsgrammen noch etwa 1/1000 y (= 1/1000 000 mg) wägen kann. Das Wägeergebnis konnte bei einer solchen Quarzfadenwaage z. B. 0,163452796 g lauten, wogegen die gewöhnliche Analysenwaage nur das Ergebnis 0,1634 g anzeigen würde. Neben der Präzisionswaage spielen bei der Bestimmung der Spurenelemente auch Spektographen, Spektroskope, Polarographen und Kolorimeter eine wichtige Rolle. Bei den modernen Kolorimetern wird das Auge durch elektrische Photozellen ersetzt. Man mißt hier nacheinander die Intensitäten des ungeschwächten und des durch die Lichtabsorption in der Probe geschwächten Photostroms und kann auf diese Weise z. B. 0,1 y Phosphor, Jod oder ähnlich kleine Mengen von Magnesium, Eisen Mangan und dergleichen feststellen. Der Spektograph gilt im allgemeinen als das empfindlichste Nachweisinstrument für Spurenelemente. Mit Hilfe von Bogenspektren lassen sich noch 0,05 y (und weniger) Mangan und 0,1 y Kupfer nachweisen.
Nun wollen wir annehmen, wir seien selbst Spurenelementforscher und wir hätten uns beispielsweise die Aufgabe gestellt, den Einfluss des Spurenelements Zink auf das Wachstum junger Kiefernpflänzchen zu studieren. Zu diesem Zweck lassen wir die sorgfältig ausgelesenen, gesunden, normalen Kiefernsamen in gereinigten Schalen auf feuchtem Filtrierpapier und dergleichen auskeimen und züchten die Keimlinge sodann in wässerigen Nährlösungen weiter. Viele Pflanzensamen enthalten große Vorräte an Spurenelementen, aus denen der Bedarf der jungen Pflänzchen größtenteils bestritten werden kann. Um hier Fehler zu vermeiden, wählt man als Versuchsobjekte gern sehr kleinsamige Pflanzen oder man entfernt die Spurenelementhaltigen Keimblätter der Samen ganz oder zum Teil. Die Behälter für die Nährlösung dürfen natürlich keine Spurenelemente abgeben; die Erfahrung hat gezeigt, dass Gefäße aus Pyrexglas oder Kunststoffen (z. B. Polyathylen) geeignet sind.
Das Wasser, das zur Herstellung der Nährlösungen und zum Nachgießen verwendet wird, muss natürlich ebenfalls frei von Spurenelementen sein. Für umfangreiche Serienversuche empfehlen englische Forscher z. B. Regenwasser, das aus reinen Glasdächern von Gewächshäusern abläuft und und in Tanks gesammelt wird, die innen mit spurenelementfreien Bitumen ausgekleidet sind. Reinigt man dieses Regenwasser noch durch Kunstharzionenaustauscher, so wird der Gehalt an Eisen und Mangan auf weniger als 0,002 p.p.m. (1 p.p.m. = 1 part per million = 1 Teil auf eine Million, z. B. 1 Milligramm auf 1 kg), an Bor auf etwa 0,004 p.p.m., bei Kupfer und Zink auf rund 0,006 p.p.m. gesenkt; solches Wasser ist für viele Spurenelementversuche geeignet. Das gewöhnliche destillierte Wasser enthält etwa 0,1 bis 0,01 p.p.m. metallische Verunreinigungen, die bei reichlicher, langfristiger Bewässerung Fehler verursachen können; es wird daher empfohlen, dieses Wasser in einer Pyrexglasapparatur nochmals zu destillieren, um es völlig metallfrei zu machen.
Nach diesen Vorarbeiten müssen die Nährlösungen hergestellt werden. Gelehrte, wie z. B. Sachs, Pfeffer, von der Crone, Knop und andere, haben schon vor Jahrzehnten gefunden, daß man Pflanzen ohne Verwendung von Boden in Gefäßen aufziehen kann, die eine Reihe von Mineralsalzen (z. B. Kaliumnitrat, Magnesiumsulfat, Kaliumphosphat usw.) in Wasser gelöst enthalten. Eine solche Nährlösung kann nach Pfeffer z. B. in 3 Liter reinem Wasser 4 g Calciumnitrat, 1 g Kaliumnitrat, 1 g Magnesiumsulfat, 1 g Kaliumhydrogenkarbonat (= KH2PO4), 0,5 g Kaliumchlorid und einige Tropfen Eisenchloridlösung enthalten. In diesen Pfefferschen Nährlösungen gediehen die Pflanzen früher ganz gut, obwohl hier von Spurenelementen (Kupfer, Zink, Bor, Mangan, Kobalt, Molybdän) gar nicht die Rede ist. Dies erklärt sich ganz einfach aus dem Umstand, daß die gewöhnlichen Chemikalien damals erhebliche Mengen von Spurenelementen enthielten, weil die Reinigungsverfahren damals noch nicht so weit entwickelt waren wie heute. Gleichzeitig wurden früher in die Nährlösungen die für die Pflanzen nötigen Spurenelemente mit dem mangelhaft gereinigten Wasser eingeschleppt, oder die Spurenelemente lösten sich aus ungeeigneten Glas- bzw. Metallbehältern heraus.
Wenn wir - wie eingangs erwähnt - den Einfluß des Spurenelements Zink auf das Wachstum von Kiefernsämlingen studieren wollen, so muß die Nährlösung alle "macronutrients" und "micronutrients" bis auf Zink enthalten. Es werden z. B. 10 Gefäße mit einer Pfefferschen Lösung gefüllt, die an Spurenelementen Eisen, Kupfer, Mangan und Bor enthält (Stammlösung). In weitere 10 Gefäße kommt die gleiche Stammlösung, dazu aber noch 0,001 p.p.m. Zink. In die nächsten 10 Gefäße geben wir die Stammlösung und 0,01 p.p.m. Zink, und die letzten 10 Behälter füllen wir mit der Stammlösung und einem Zusatz von 0,1 p.p.m. Zink. Hier noch eine Zwischenbemerkung: Wenn wir von Zink-, Kupfer-, Mangan-, Eisenzusatz usw. sprechen, meinen wir stets die betreffenden Metallsalze (die beim Auflösen in Wasser Metallionen bilden) und nicht etwa die reinen Metalle, die ja in Wasser völlig unlöslich wären.
Wenn wir nun in den oben beschriebenen Nährlösungen Kiefernsämlinge unter völlig gleichen Umweltbedingungen (gleiche Belichtung, gleiche Temperatur, gleiche Wasserversorgung, staubfreie Umgebung usw.) sorgfältig aufziehen, so beobachten wir nach Monaten folgendes: Bei Verwendung der Kiefernart Pinus echinata als Versuchspflanze sind die Sämlinge in den zinkfreien Lösungen nach 8 Monaten abgestorben. Die Sämlinge in den Behältern mit 0,001 und 0,01 p.p.m. Zink gehen ebenfalls unter schweren Zinkmangelerscheinungen zugrunde, wogegen die Pflänzchen in den Behältern mit 0,1 p.p.m. Zink ein normales Wachstum aufweisen. Damit wäre eindeutig bewiesen, daß diese Kiefer zum normalen Gedeihen Spuren von Zink benötigt. Diese Versuchsbeschreibung ist übrigens kein Phantasieprodukt; die Versuchsreihe wurde tatsächlich von dem Spurenelementforscher Charles C. Wilson ausgeführt; sie ist beschrieben in der Zeitschrift "Science" (Washington), 1953, Seite 231 bis 233.
Neben der oben geschilderten, wissenschaftlich einwandfreien, aber umständlichen und kostspieligen Versuchsmethodik sind noch eine Reihe von anderen Verfahren zu erwähnen: Beim sogenannten Sandkulturversuch wird feiner, gesiebter Sand z. B. mit Gemischen von Salzsäure und Oxalsäure von anhaftenden Eisen- und Manganspuren und dergleichen befreit, ausgewaschen und mit Kern- und Spurendüngern versehen. Will man bei einem Acker oder Garten feststellen, ob in dem betreffenden Boden bestimmte Spurenelemente fehlen, kann man im einfachen Topfversuch Bodenproben in mehrere Töpfe geben. Der Topf A erhält z. B. den gewöhnlichen, unbehandelten Boden, Topf B bekommt einen kleinen Zusatz von Kupfervitriol, Topf C etwas Borax oder Borsäure, Topf D ein klein wenig Zinksulfat usw. Dann gibt man in jeden Topf Samen von der gleichen Kulturpflanze. Falls dann z. B. die Pflanzen in Topf C am besten gedeihen, weiß man, daß die Böden des betreffenden Ackers oder Gartens bei Bordüngung höhere Erträge geben. In manchen Fällen gibt der sogenannte Streifenversuch wertvolle Aufschlüsse. Will man z. B. feststellen, ob ein landwirtschaftliches Gebiet an Kupfermangel leidet, so streut man mit dem Düngestreuer eine geringe Gabe Kupferschlackenmehl (z. B. in einer Konzentration, daß auf das Hektar 3 Doppelzentner entfallen würden) in einem 2 bis 4 m breiten Streifen quer über die verdächtigen Schläge. Falls später die Pflanzen dieses Streifens durch schnelleres Wachstum, dunkleres Grün, höhere Erträge usw. gegenüber der Umgebung angenehm auffallen, ist Kupferdüngung für das ganze Gebiet zu empfehlen.