Kupfer in Pflanzen

In der obersten Erdrinde ist Kupfer nur in wenigen abbauwürdigen Lagerstätten angereichert, so z. B. im Mansfelder Kupferschiefer, in Karelien, Katanga, Arizona, Montana, Chile usw. Das Kupfer kommt hier teils als Metall, teils in Verbindungsform vor; die Erze dieser Lagerstätte enthalten nur etwa 2 - 5% Kupfer. Die gesamten Kupfervorräte in den heute bekannten abbauwürdigen Kupferlagern werden auf 90 - 100 t geschätzt. Die Weltkupfervorräte werden also nicht mehr lange reichen.
Weit größere Kupfermengen finden sich in den Böden, Gesteinen und Meeren der Erde; allerdings liegt das Kupfer hier in weit größerer Verdünnung vor. Überall, wo normaler Pflanzenwuchs zu finden ist, müssen die Böden mindestens 2 mg Kupfer im Kilo Trockenerde enthalten. Dies entspricht einer Verdünnung von 1 : 500 000. Tatsächlich können Pflanzen auch bei bedeutend höheren Kupfergehalten des Bodens an Kupfermangelkrankheiten leiden, weil sie vielfach nur einen Bruchteil des Bodenkupfers aufzunehmen vermögen. Doch davon später mehr.
Der durchschnittliche Kupferanteil unserer 16 km dicken, obersten Erdkruste wird mit 0,01% angegeben; doch liegt das meiste davon in den tieferen, heute noch unzugänglichen Bereichen der Erdrinde. Die deutschen Böden enthalten durchschnittlich 10 - 40 mg Kupfer im Kilo. Trockenes Heu enthält ca. 6 - 12, Weizen (Körner) 2 - 6, trockene Pflaumenblätter 7, Orangenblätter 7 - 15, Orangen (Früchte) 2 - 4 mg Kupfer im Kilogramm.
Die Wirkungsweise des Kupfers in den Pflanzen ist noch nicht endgültig geklärt. Höchstwahrscheinlich spielen Kupfer und Eisen bei der Bildung des Blattgrüns eine wichtige Rolle, obwohl keines dieser beiden Elemente in das Blattgrünmolekül eingebaut ist. Des weiteren ist Kupfer als Katalysator in verschiedene biologische Oxydations-Reduktionsvorgänge eingeschaltet. Die lebenswichtigen Phenolasen (Polyphenoloxydasen; Fermente, die molekularen Sauerstoff auf leicht oxydierbare Verbindungen übertragen) sind Kupferproteide mit fest gebundenem Kupfer, letzteres ist hier prosthetische Gruppe und Wirkungsgruppe zugleich. Man kann die Phenolasen aus den Zellen isolieren; sie spielen bei der Bildung zahlreicher Farbstoffe (Melanine usw.) eine wichtige Rolle und oxydieren z. B. p-Kresol, Thyrosin usw. Die Bräunung eines angeschnittenen Apfels beruht auf der Oxydation gewisser Verbindungen durch den Luftsauerstoff; dieser Prozess wird durch kupferhaltige Fermente (Thyrosinase) katalytisch beschleunigt. Die Thyrosinase ist in reinem Zustand ein amorphes Pulver mit 14,4% Stickstoff und ca. 0,2% Kupfer. Aus Kartoffelschalen konnte man eine Polyphenoloxydase mit 15% Stíckstoff und 0,165% Kupfer isolieren. DIe in vielen Pflanzen nachweisbare Ascorbinooxyhydrase ist ein Kupferproteid mit 0,15 - 0,25% Kupfer. Dieses Ferment katalysiert die Oxydation von Ascorbinsäure (= Vitamin C) zu Dehydroascorbinsäure. Auch zur Bildung des Leghämoglobins in den Bakterienknöllchen von Schmetterlingsblütlern ist Kupfer nötig. Die Kupferversorgung der Pflanzen muss schon in frühen Jugendstadien sichergestellt sein, sonst treten Wachstumsstörungen und Mangelkrankheiten auf.
In Nordwestdeutschland und Holland hat man schon seit Jahrzehnten beobachtet, daß humusreiche, ehemalige Heideböden, frühere Moorgebiete und auch sonstiges, seit langem bebautes Ackerland für viele Kulturpflanzen ungüstig ist. Bei manchen Hafersorten werden die Blattspitzen oder auch die ganzen Blätter weiß, so daß ein solches Feld aussieht, wie wenn es von einem Feuer oberflächlich angesengt worden wäre (daher die norddeutsche Bezeichnung Sangel, von sengen). Bei der Gerste färben sich die Blätter oder Blattspitzen gelblich, beim Weizen sind sie blaß oder gelblich gefleckt. Alle diese Erscheinungen weisen auf Störungen in der Chlorophyllsynthese hin. Der Strohertrag ist auf solchen Äckern oft abnorm hoch; der Körnerertrag hingegen liegt weit unter dem Durchschnitt; oft treten taube Ähren auf; es leiden in solchen Fällen die Fortpflanzungsorgane der Pflanzen mehr oder weniger. Auch bei anderen Gräsern wird die Samenbildung beeinträchtigt und der Rasen sieht gelblich, blaß und kränklich aus. Die Ackerbohne (Pferdebohne, Saubohne, Vicia Faba) bleibt nieder, sie blüht lange und zeigt nur geringen Fruchtansatz. Die Erbsen werden hellgrün oder sie verfärben sich gelblich und verwelken vor der Zeit. Kohlrüben verkümmern und sterben unter Ausbleichen der Blätter oft frühzeitig ab. Alle diese Krankheitserscheinungen bezeichnet man seit langem als "Urbarmachungskrankheit" (engl. reclamation disease), "Heidemoorkrankheit" u. dgl.
Der rechte Weg zur Heilung dieser "Krankheit" wurde durch Zufall entdeckt. Im Jahre 1900 bespritze Ökonomierat Beseler die verunkrauteten Haferfelder auf den Moorböden des Guts Cunrau mit Kupfervitriollösung statt mit dem altgewohnten Eisenvitriol (Mittel gegen Hederich und anderes Unkraut), das zufällig nicht erhältlich war. Im folgenden Jahr wurden Ackerbohnen angebaut, und der Kutscher des Guts erinnerte sich, daß die am besten gedeihenden Ackerbohnen den den mit Kupfervitriol "vorbehandelten" Böden wuchsen. Beseler zog die richtige Schlußfolgerung aus dieser Beobachtung; er düngte die Moorböden systematisch mit Kupfervitriol und erzielte damit bei der Pferdebohne Ertragssteigerungen von 50 - 100%, bei Erbsen, Bohnen und Lupinen waren nach Kupfersulfatdüngung auf humosen Sanden Ertragszunahmen von 40 - 50% zu verzeichnen. Die Körner-Erträge stiegen bei heidemoorkrankem Hafer nach Düngung mit Kupfervitriol um das Dreifache und darüber. Großangelegte Kulturversuche mit Nährlösungen ergaben eindeutig, daß völlig kupferfreie Nährlösungen bei den Pflanzen die gleichen Krankheitserscheinungen auslösten wie sie auf den Heide- und Moorböden auftraten; sie zeigten aber auch, daß zur Heilung dieser Krankheiten sehr viel geringere Kupfermengen ausreichten als man sie bei der gewöhnlichen Düngung benötigte. So genügt z. B. ein Zusatz von 50 y Kupfer zum Liter Nährlösung um die normale Ährenentwicklung bei Getreidearten sicherzustellen. Bei der gewöhnlichen Felddüngung benötigt man dagegen 50 - 100 kg Kupfervitriol (als Pulver oder z. B. in 3%iger Lösung) je Hektar. Man kann aus dem Kupfergehalt der Getreidepflanzen errechnen, daß z. B. die Pflanzen auf einem Hektar im Jahr insgesamt höchstens 100 g Kupfer dem Boden entnehmen; trotzdem muss man auf moorigen Böden mit der 100 bis 1000fachen Kupfermenge düngen, um gute Erträge zu erzielen. Genaue Analysen ergaben überdies, daß auch die "wilden", nie mit Kupfersalzen gedüngten Moorböden vielfach erhebliche Kupfermengen (2 - 15 mg im Kilo) enthielten, die eigentlich zur Bedarfsdeckung der Kulturpflanzen ausreichen müssten. Eingehende Untersuchungen zeigten, daß die humusreichen Heide- und Moorböden das Kupfer in organischen Verbindungen so zäh festhalten (und erhebliche Mengen an zusätzlich verabreichten Kupfer-Düngesalzen an sich binden), daß viele Kulturpflanzen (z. B. Weizen, Hafer, Sommerroggen, Rotklee, Ackerbohnen, Buschbohnen, Hanf) außerstande sind, die nötigen Kupfermengen durch ihr Wurzelsystem dem Boden zu entnehmen. Größere Boden-Kalkgehalte und alkalische Bodenreaktionen können übrigens die Kupferaufnahme seitens der Pflanzen ebenfalls beeinträchtigen.
Zur Verhütung der Kupfermangelschäden kann man folgende Maßnahmen ergreifen; 1. Man bepflanzt Heide- und Moorböden mit Pflanzen, die einen geringen Kupferbedarf haben bzw. die auch ungünstigen Böden das Kupfer entreißen können, so z. B. Kartoffeln, Winterroggen, Buchweizen, Serradella, Spörgel u. dgl. 2. Man düngt die Böden mit Kupferverbindungen. Hierzu verwendete man früher blaues Kupfersulfat (Kupfervitriol, CuSO4 · 5H2O); da dieses zu teuer ist, düngt man heute mit billigeren, feingemahlenen Kupfer-Schlackenmehlen (3 - 9 dz / ha, enthält neben vielen anderen Spurenelementen ca. 0,4% Kupfer). Nach Anwendung von Kupferschlackenmehl (3 dz / ha) stiegen die Erträge von Hafer und Roggen von 3 - 15 dz je ha auf 20 - 24 dz; auch bei Mangold, Kohl, Rettichen, Rüben, Sonnenblumen, Obstbäumen usw. wurden günstige Wirkungen beobachtet. 3. Man düngt mit anderen kupferhaltigen Materialien wie z. B. feingemahlenem Mansfelder Kupferschiefer, kupferhaltigen Müllprodukten, Asche usw. Die unter 2 - 3 genannten Kupferprodukte werden am besten vor der Getreideaussaat (z. B. 1 - 6 Monate vor derselben) auf die Böden gestreut, da schon die jungen Pflänzchen relativ viel Kupfer benötigen. Ein einmaliges ausstreuen von 50 kg Kupfervitriol / ha reicht für etwa 9 Jahre. 4. Man bespritzt die unter Kupfermangel leidenden Pflanzen mit 1,5 bis 3%igen Kupfersulfatlösungen. Man kommt hier mit viel geringeren Kupfermengen aus, da keine Kupferbindung durch den Boden stattfindet. Bei Kartoffeln, die gegen die Peronospora mit Kupfersalzlösungen bespritzt wurden, beobachtete man Erhöhung des Chlorophyllgehalts (dunkleres Grün) und Steigerung der Erträge. Die Zunahme des Chlorophyllgehalts ermöglicht eine Intensivierung der Assimilation und damit eine erhöhte Stärkeerzeugung. 5. Wichtig ist auch eine ausreichende Wasserversorgung. Bei sehr reichlicher Wasserzufuhr können sogar aus Moorböden noch die nötigen Kupferverbindungen löslich und aufnehmbar gemacht werden, wogegen bei längerer Trockenheit die Kupfermangelkrankheit besonders rasch und heftig auftritt.