im Vergleich mit anderen Methoden, insbesondere mit der Fluoreszenzmessung zur Bestimmung von physiologischen Parametern Chlorophyll tragender Spezies.

 

 

1.       Summary: Das Gerätesystem PlantVital^® 5000 ist ein Monitorringsystem, insbesondere des Bio- und Umweltmonitorring, auf der Basis der Sauerstoffmessung mit einem Detektor vom Clark-Typ. Es ist bestimmt zum Nachweis der zeitlichen Änderung der Sauerstoffbilanz Chlorophyll "a" tragender Spezies im Dunkel-Hell-Zyklus, um mit Hilfe von vier auf diese Weise zu gewinnenden Parametern quantitative Aussagen über die Vitalität der Targets zu erhalten. Die quantifizierbaren Vitalitätskennziffern dienen 1.) der Ermittlung der Vitalitätsänderung als Folge natürlicher und anthropogener Einwirkungen (Stress unterschiedlicher Art) auf das zu untersuchende System, 2.) der Verfolgung von Vorgängen im Bereich der Pflanzenphysiologie, die aus visuellen Bonituren gar nicht bzw. nur mit sehr aufwändigen anderen Methoden zu ermitteln sind und 3.) der Erarbeitung von Prognosen über die vegetative bzw. generative Entwicklung der Targets. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist 4.) die Untersuchung relevanter Stufen des Photosyntheseprozesses als solchem. Zu diesem Prozess gibt es im Bereich physikalisch basierter Messverfahren im wesentlichen drei Zugänge: 1.) Die Bestimmung der Fluoreszenzquantenausbeute zur Ermittlung der Verwendung der absorbierten Lichtenergie für den Aufbau und den Betrieb der Elektronentransportkette, 2.) die Ermittlung der Sauerstoffemission als Kennzeichen für die Energiespeicherung mit Hilfe der aus der Wasserspaltung gewonnenen Protonen (H⁺) und 3.) die Ermittlung der Größe der CO₂-Fixierung zum Aufbau von Hexosen über Triosen bzw. Tetrosen aus dem absorbierten CO₂. Im weiteren wird in kurzer Form ein Vergleich der Methoden angestellt, und es werden die Alleinstellungsmerkmale des PlantVital^® 5000 auf bestimmten Gebieten herausgestellt.

 

2.       Absorptions- und Fluoreszenzspektren des Photosyntheseapparates.

Bei Anregung mit ultraviolettem oder mit sichtbarem Licht (PhAR; photosynthetically active radiation) weist das Fluoreszenzspektrum, welches einen weiten Bereich zwischen 400 nm und 800 nm überstreicht, vier ausgeprägte Maxima aus: bei 440 nm (blau), bei 520 nm (grün), bei 690 nm (rot) und bei 740 nm (tief rot). Von diesen vier Bereichen sind lediglich die beiden Bereiche um 690 nm und um 740 nm dem Chlorophyll "a" (Chl) in den Chloroplasten der grünen Mesophyllzellen zuzuschreiben. Die beiden Bereiche der Fluoreszenz bei 440 nm und bei 520 nm stammen von anderen organischen Molekülen, die in der Regel covalent an die Zellwände gebunden sind. Üblicher Weise werden zur Charakterisierung des Photosyntheseapparates mittels Fluoreszenzmessung die Intensität der Fluoreszenz (zur Ermittlung der Fluoreszenzquantenausbeute, dem eigentlich interessanten Parameter) und deren zeitliches Verhalten gemessen.

Die Fluoreszenzintensität kann beeinflusst werden durch 1.) Änderungen in der Konzentration der fluoreszierenden organischen Moleküle, 2.) durch Änderungen in den Lichtleitkanälen des Chlorophyll "a" tragenden Systems und 3.) durch Änderungen in den relativen Anteilen der Energieverteilung bei der Relaxation der optisch angeregten Zustände in die einzelnen Kanäle: Photosynthese (Nutzeffekt), strahlende Relaxation (Fluoreszenz) und strahlungslose Relaxation (Anregung von Schwingungs-Rotations-Zuständen der organischen Moleküle, deren Energie letztendlich in Wärmeenergie umgesetzt wird). Störungen der Photosynthese, den Elektronentransport betreffend, können sich als Verstärkung der Fluoreszenz äußern und eventuell dadurch quantifiziert werden.

Es gilt als gesichert, dass die Fluoreszenz bei 440 nm und bei 520 nm, die nicht an das Chlorophyll "a" gebunden ist, zeitlich und in der Intensität bei gleichbleibender Anregung konstant ist.

Die Fluoreszenz gesunder Blätter, die an das Chlorophyll "a" gebunden ist (690 nm und 740 nm), ändert sich jedoch hinsichtlich ihres Zeit- und Intensitätsverlaufes und gibt damit eine Möglichkeit, Informationen über die Eigenschaften des Photosyntheseapparates zu erhalten. Das betrifft vor allem - aber nicht nur - die Kinetik im Zusammenhang mit dem "Kautsky"-Effekt.

 

3.       Kautsky-Effekt: Wird ein Blatt einige Zeit im Dunkeln aufbewahrt und danach mit aktinischem Licht (PhAR) bestrahlt, so läuft das komplizierte Enzymsystem der Photosynthese nicht sofort an. Die aufgenommene Energie aus dem Licht, die über die Elektronentransportkette weitergeleitet wird, wird nicht sofort abgenommen, und es kommt zu einem Energiestau, der sich in einer verstärkten Nutzung des Fluoreszenzkanals bei der Relaxation der angeregten Zustände äußert. Es dauert bei einem gesunden Blatt etwa drei Minuten, bis alle Komponenten optimal synchron arbeiten und die Chlorophyll "a" Fluoreszenz auf einen Bruchteil des Ausgangswertes zurückgegangen ist.

 

4.       Störungen der Funktion des Photosyntheseapparates: Wenn die Kette des Energietransports bei der Lichtreaktion aus anderen Gründen als dem unter 3) beschriebenen gehemmt oder ganz unterbrochen ist, so verharrt die Fluoreszenz auch länger auf einem hohen Niveau. Eine nicht normale Ursache erhöhter Fluoreszenz, begründet durch besagte Hemmung des Elektronentransports bei der Photo-Phosphorylierung, kann Substratmangel für die ATP-Synthetase (ADP-Mangel bzw. Mangel an anorganischem Phosphat (P_i)) sein. Ein solcher Substratmangel könnte z.B. durch Störungen bei der Dunkelreaktion (CO₂-Fixierung) auftreten, so dass zu wenig ATP verbraucht wird. Andererseits würde ein "Kurzschluss" des Elektronentransports, d.h. eine Entkopplung der Photo-Phosphorylierung, zu einem sehr schnellen Abfall der Fluoreszenzintensität führen. Ist das Blatt durch Stress (z.B. Trockenheit, andere natürliche oder anthropogene Einflüsse) beeinträchtigt, so kann eine Änderung in der "Kautsky"-Kinetik (d.h. in dem Verlauf der Fluoreszenzintensität während des Anlaufens der Lichtreaktion) Hinweise auf derartige Einflüsse geben, da offensichtlich die einzelnen Komponenten durch den Stress unterschiedlich beeinträchtigt sind und deren Synchronisation längere Zeit in Anspruch nehmen. Die Fluoreszenz-Methode kann hier eine Abschätzung der quantitativen Vorgänge liefern. Erst eine Messung der Sauerstoffemission, verursacht durch die enzymatisch gestützte Photolyse des Wassers zur Freisetzung von Protonen (H⁺) zum Zwecke der Energiespeicherung (ADP/ATP und NADPH/H⁺) kann eine genauere quantitative Auskunft über die  wirklichen Gründe der erhöhten oder extrem niedrigen Werte der Fluoreszenz geben. Eine weitere geeignete und häufig verwendete Methode zur allseitigen Aufklärung der Prozesse im gesamten Photosynthesemechanismus ist die Messung der CO₂-Fixierung.

 

5.       Messtechnik für wissenschaftliche Untersuchungen: Für eine genaue wissenschaftliche Untersuchung des Gesamtprozesses der Photosynthese in allen seinen Stufen sind neben der Fluoreszenzmessung, die bislang am besten theoretisch und experimentell (durch die Pulse-Amplituden.Modulation; PAM) entwickelt ist, auch die quantitative Bestimmung der Sauerstofffreisetzung und die Bestimmung der CO₂-Fixierung erforderlich.

Im Bereich der Fluoreszenzmessung sind unterschiedliche Varianten, die unterschiedliche Aussagen über die das Fluoreszenzverhalten bestimmenden Teile des Photosyntheseapparates ermöglichen, verfügbar. Unter anderem kann man durch impulsförmige Bestrahlung und Einsatz eines synchronisierten Messverstärkers die schwachen Fluoreszenzsignale bei Vorhandensein wesentlich stärkerer Hintergrundstrahlung erfassen. Dadurch wird es möglich, durch Einsatz von gepulstem Zusatzlicht, welches vielfach stärker als die Sonneneinstrahlung ist, die Elektronentransportkette kurzzeitig vollständig zu sättigen (chemisch reduzieren). Aus der dabei gemessenen Fluoreszenz kann man die maximal mögliche Fluoreszenzquantenausbeute ermitteln. Mit Hilfe dieser Messungen erhält man Hinweise auf die Menge des vorhandenen photosynthetisch aktiven Chlorophylls "a" im Photosystem II (LHC II, light harvesting complex) gibt. Gleichzeitig kann dabei die Minimalfluoreszenz bei längerer Photosynthese (Lichtphase) unterhalb des Lichtsättigungsbereiches ermittelt werden.

Die Möglichkeiten, welche im Bereich der Ermittlung des Sauerstoffverzehrs in der Dunkelphase (Respiration), der quantitativen Erfassung des Kautsky-Effektes und der Photosynthese in der Lichtphase vorhanden sind, kann man den Unterlagen des Gerätesystems  "PlantVital^® 5000" der Firma INNO-Concept GmbH, Strausberg (Germany) entnehmen (Lit. 1).

Einen wesentlichen Hinweis darauf, wie die gespeicherte Energie verwendet wird, um unter Hinzuziehung von CO₂ aus der Atmosphäre über Triosen (C3; Calvin-Zyklus) oder Tetrosen (C4, Hatch-Slack-Kortschak-Zyklus) Hexosen aufzubauen, erhält man durch den Einsatz von Messgeräten, die in quantitativer Weise die CO₂-Fixierung ermitteln.

 

6.       Screening-Methoden: Für Screening-Methoden, die die unmittelbare Wirkung der externen Einflüsse auf die vegetative Entwicklung (in bestimmten Fällen auch auf die generative Entwicklung) des zu untersuchenden Chlorophyll "a" tragenden Systems in schneller und effektiver Weise ermöglichen sollen, ist es wichtig zu bestimmen, in welchem Ausmaß das System bereit und in der Lage ist, die für die Energiespeicherung - im Unterschied zum Energietransport - erforderlichen Protonen, gewonnen aus der Wasserspaltung, zu erzeugen, die im Nebenprodukt die Sauerstoffmoleküle freisetzt. Dazu dienen besonders für diesen Zweck entwickelte Geräte der Sauerstoff-Messung, in besonderer Weise das Gerätesystem PlantVital^® 5000. Es sei auch hier wiederholt vermerkt, dass die Applikationsbreite des Gerätesystems PlantVital^® 5000 weit über den Einsatz als Monitorringsystem zur Bestimmung bestimmter Vorgänge bei der Photosynthese hinausgeht. Weitreichende wissenschaftlichen Untersuchungen unter Verwendung des Gerätesystems PlantVital^® 5000 in Forschungseinrichtungen haben gezeigt, dass PlantVital^® 5000 vor allem verwendet werden kann, um entweder pflanzenphysiologische Vorgänge zu verfolgen, die durch visuelle Bonituren nicht erfasst werden können (Lit. 2) oder Prognosen für die weitere vegetative oder generative Entwicklung der Pflanzen unter den vorgegebenen Umweltbedingungen ( Lit. 3) (natürliche und/oder anthropogene Einflüsse) zu erstellen. Nutzt man für diese Untersuchungen Indikatorpflanzen mit hinreichen bekannten Eigenschaften und großer Verbreitung, so ist dieses Gerätesystem auch als Umweltmonitorringsystem verwendbar.

 

7.       Entscheidungskriterien für die Wahl der Systeme: Der Photosyntheseprozess in seiner Gesamtheit ist ein äußerst komplexer Prozess, an dem sehr viele verschiedene Moleküle in sehr unterschiedlicher Umgebung beteiligt sind. Die Wirkung der Einzelkomponenten kann über Signale (optische, thermische, chemische u.a.), die in den unterschiedlichen Stufen des Photosyntheseprozesses vom System abgegeben werden, qualitativ und quantitativ untersucht werden. Jedes dieser Signale gibt Auskunft über die Wirksamkeit eines bestimmten Teiles des Gesamtprozesses. Keine dieser o.g. Messsysteme gibt eine vollständige Auskunft über den Gesamtprozess der Photosynthese. Von besonderem Interesse dürfte auch die Tatsache sein, ob mit den angeführten Methoden Prozesse in der Pflanzenphysiologie verfolgt werden können, die mit visuellen Bonituren gar nicht oder nicht rechtzeitig erkannt werden können oder ob gar aus den erhaltenen Messergebnissen Entscheidungskriterien über die Beeinflussung der Pflanzen für deren weitere zielgerichtete Entwicklung (Nutzpflanzen) abgeleitet werden können (Lit. 2). Es versteht sich von selbst, dass die Auswahl der zu verwendenden Gerätetechnik davon abhängig ist, welcher Teilbereich des Gesamtprozesses untersucht werden soll, ob der Gesamtprozess oder nur ein Teilbereich von Interesse ist und wie hoch der Aufwand ist, um eine bestimmte Information über das zu untersuchende System zu erhalten. Unter Aufwand sei hier der Zeitaufwand für die Erlangung einer bestimmten Information und der finanzielle Aufwand für die Anschaffung der erforderlichen Haupt- und Nebenausrüstungen verstanden. Des weiteren ist zu berücksichtigen, ob die Messungen am Target "in vivo" oder "in vitro" erfolgen, wichtig dabei ist auch, ob die Messungen in situ erfolgen können.

 

8.       Pflanzenphysiologische Relevanz der erhaltenen Ergebnisse: Es ist nicht unwichtig zu bemerken, dass es sich bei den hier dargelegten Problemen und Untersuchungsmethoden hinsichtlich der Targets in der Regel um lebende Spezies mit der bekannten Vielfalt und Streubreite der Eigenschaften handelt. Folglich ist es geboten, Schlussfolgerungen über den Zustand des Targets nur auf der Basis einer Vielzahl durchgeführter Messungen an gleichen Produkten zu ziehen. Üblicher Weise werden zur Auswertung Statistik-Programme herangezogen. Um die Messwerte (Quantenausbeute, Größe der Sauerstofffreisetzung oder des CO₂-Verbrauchs) in Beziehung zu den pflanzenphysiologischen Parametern zu bringen, werden Korrelationen zwischen beiden gebildet. Als Ergebnisse erhält man Korrelationswerte und Signifikanzen dieser Werte. Man geht davon aus, dass bei sehr niedrigen Signifikanzwerten (< 0,001) die Wahrscheinlichkeit der Übereinstimmung von erhaltenen Messwerten und pflanzenphysiologischem Verhalten sehr hoch ist. Auch bei sehr hoher Wahrscheinlichkeit darf dabei keinesfalls vernachlässigt werden, dass neben dem Erfordernis sehr hoher Korrelationswerte auch die Frage nach der Kausalität zwischen der gemessenen Wirkung und der vermuteten Ursache tiefgründig beantwortet werden muss.

 

9.       Die wichtigsten Eigenschaften von PlantVital^® 5000 (Lit.4): PlantVital^® 5000 ist ein einfaches, leicht zu handhabendes Gerätesystem, welches sich auch hervorragend für die Ausbildung eignet (Lit. 5). Zur Vermessung des Targets, die in vitro erfolgt, wird nur eine geringe Menge Chlorophyll "a" tragenden Materials (Blattscheibe von 4mm bis 8 mm Durchmesser, wenige Lemnaceen, geringe Mengen Algen, Koniferennadeln u.a.) benötigt. Die Messung erfolgt in einer klimatisierten Messkammer, in der sich das Target wahlweise in Dunkelheit oder unter Bestrahlung bei einer definierten Photonenstromdichte, je nach Wahl durch den Operator, befindet.

 

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an: info@inno-concept.de