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4.2: Nährstoffe - Biologie

4.2: Nährstoffe - Biologie


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Bekämpfung von sekundären Pflanzenstoffen

Viele Kriege wurden geführt, um diese Gewürze aus Indien zu erwerben. Chemikalien und Öle in den Gewürzen verleihen der indischen Küche spezifische Gerüche und Geschmäcker. Essen und Kultur sind miteinander verwoben, und die Menschen bringen ihre Kultur mit, wenn sie sich in einem fremden Land niederlassen. Manchmal wird ihre Kultur akzeptiert und manchmal wird sie zu einer Ursache für Diskriminierung, der Menschen ausgesetzt sind, wenn sie ihre Kultur annehmen.

Diese farbenfrohe Präsentation indischer Gewürze ist nicht nur hübsch anzusehen. Die abgebildeten Artikel sind auch reich an sekundären Pflanzenstoffen. Phytochemikalien sind eine große Gruppe kürzlich entdeckter Chemikalien wie Öle und Farben, die natürlicherweise in Pflanzen vorkommen. Viele von ihnen sind dafür bekannt, Pflanzen zu schützen, indem sie Insektenangriffe und Infektionskrankheiten abwehren. Phytochemikalien in der Nahrung, die wir zu uns nehmen, können auch benötigt werden, um uns gesund zu halten. Wenn ja, denken einige Ernährungswissenschaftler, dass sie als Nährstoffe klassifiziert werden sollten.

Was sind Nährstoffe?

Nährstoffe sind Stoffe, die der Körper für Energie, Baustoffe und Steuerung von Körperprozessen benötigt. Es gibt sechs Hauptklassen von Nährstoffen, die auf biochemischen Eigenschaften basieren: Kohlenhydrate, Proteine, Lipide, Wasser, Vitamine und Mineralstoffe. Ballaststoffe, die größtenteils aus unverdaulichen Kohlenhydraten bestehen, werden manchmal als siebte Klasse von Nährstoffen hinzugefügt.

Neben der biochemischen Klassifizierung von Nährstoffen werden Nährstoffe auch in essentielle oder nicht-essentielle Nährstoffe kategorisiert. Essentielle Nährstoffe können vom menschlichen Körper nicht synthetisiert werden, zumindest nicht in ausreichenden Mengen für ein normales Funktionieren, daher müssen diese Nährstoffe aus der Nahrung aufgenommen werden. nicht essentielle Nährstoffe, Im Gegensatz dazu können sie im Körper in ausreichenden Mengen für eine normale Funktion synthetisiert werden, obwohl sie in der Regel auch über die Nahrung aufgenommen werden. Abgesehen von Ballaststoffen gelten alle Kohlenhydrate in der Nahrung als nicht essentiell. Jede andere wichtige Klasse von Nährstoffen enthält mehrere essentielle Verbindungen. Zum Beispiel gibt es neun essentielle Aminosäuren, mindestens zwei essentielle Fettsäuren und viele essentielle Vitamine und Mineralstoffe. Wasser und Ballaststoffe sind ebenfalls essentielle Nährstoffe.

Die wichtigsten Nährstoffklassen werden auch als Makronährstoffe oder Mikronährstoffe kategorisiert, je nachdem, wie viel davon der Körper benötigt.

Makronährstoffe

Makronährstoffe sind Nährstoffe, die der Körper in relativ großen Mengen benötigt. Dazu gehören Kohlenhydrate, Proteine, Lipide und Wasser. Alle Makronährstoffe außer Wasser werden vom Körper zur Energiegewinnung verwendet, obwohl dies nicht ihre einzige physiologische Funktion ist. Die von Makronährstoffen in Lebensmitteln bereitgestellte Energie wird in Kilokalorien gemessen, die allgemein als bezeichnet werden Kalorien, wobei 1 Kalorie die Energiemenge ist, die benötigt wird, um 1 Kilogramm Wasser um 1 Grad Celsius zu erhöhen.

Kohlenhydrate

Abbildung (PageIndex{2}): Diese Zuckerwatte sieht zwar aus wie ein großer Wattebausch aus echter Baumwolle, der größtenteils aus Zellulose besteht, besteht aber eigentlich fast ausschließlich aus Einfachzuckern.

Kohlenhydrate sind organische Verbindungen aus einfachen Zuckern (wie in der Zuckerwatte in Abbildung (PageIndex{2})). Kohlenhydrate werden nach der Anzahl der Zucker, die sie enthalten, als Monosaccharide (ein Zucker) wie Glucose und Fructose klassifiziert; Disaccharide (zwei Zucker), wie Saccharose und Lactose; und Polysaccharide (drei oder mehr Zucker), einschließlich Stärke, Glykogen und Zellulose (der Hauptbestandteil von Ballaststoffen). Nahrungskohlenhydrate stammen hauptsächlich aus Getreide, Obst und Gemüse. Alle verdaulichen Kohlenhydrate in der Nahrung werden vom Körper zur Energiegewinnung verwendet. Ein Gramm Kohlenhydrate liefert 4 Kalorien Energie. Faser, wie die Cellulose in pflanzlichen Lebensmitteln, kann vom menschlichen Verdauungssystem nicht verdaut werden, so dass das meiste davon einfach durch den Verdauungstrakt gelangt. Obwohl es im Gegensatz zu anderen Kohlenhydraten keine Energie liefert, wird es dennoch als essentieller Nährstoff für seine physiologischen Funktionen angesehen. In vielen pflanzlichen Lebensmitteln gibt es zwei Arten von Ballaststoffen: lösliche Ballaststoffe und unlösliche Ballaststoffe.

Lösliche Faser besteht aus unverdaulichen komplexen pflanzlichen Kohlenhydraten, die sich in Wasser auflösen und ein Gel bilden. Diese Art von Ballaststoffen verdickt und verlangsamt die Bewegung des Speisebrei durch den Dünndarm und verlangsamt dadurch die Aufnahme von Glukose in das Blut. Die Konsistenz der Nahrung, nachdem sie im Magen mechanisch verdaut wurde, wird als Chymus bezeichnet. Dies kann Insulinspitzen und das Risiko für Typ-2-Diabetes verringern. Lösliche Ballaststoffe können auch helfen, den Cholesterinspiegel im Blut zu senken. Gute Nahrungsquellen für lösliche Ballaststoffe sind Hafer, Äpfel und Bohnen.

Unlösliche Ballaststoffe besteht hauptsächlich aus Zellulose und löst sich nicht in Wasser auf. Da sich unlösliche Ballaststoffe durch den Dickdarm bewegen, stimulieren sie die Peristaltik. Peristaltik ist die unwillkürliche Verengung der glatten Muskulatur des GI-Trakts, die den Nahrungsinhalt in den Trakt drückt. Dies hält Lebensmittelabfälle in Bewegung und beugt Verstopfung vor. Die unlöslichen Ballaststoffe in der Nahrung können auch das Risiko von Dickdarmkrebs verringern. Gute Nahrungsquellen für unlösliche Ballaststoffe sind Kohl, Paprika und Weintrauben.

Proteine

Proteine ​​sind organische Verbindungen aus Aminosäuren. Sie denken vielleicht an Fleisch und Fisch als Hauptquellen für Nahrungsproteine ​​– und das sind sie –, aber es gibt auch viele gute pflanzliche Quellen, darunter Sojabohnen (siehe Abbildung unten) und andere Hülsenfrüchte. Proteine ​​in der Nahrung werden während der Verdauung abgebaut, um die für die Proteinsynthese benötigten Aminosäuren bereitzustellen. Proteine ​​im menschlichen Körper sind die Grundlage vieler Körperstrukturen, einschließlich Muskeln und Haut. Proteine ​​fungieren auch als Enzyme, die biochemische Reaktionen katalysieren, Hormone, die Körperfunktionen auf andere Weise regulieren, und Antikörper, die bei der Bekämpfung von Krankheitserregern helfen. Nicht benötigte Aminosäuren aus der Nahrung werden mit dem Urin ausgeschieden, in Glukose zur Energiegewinnung umgewandelt oder als Fett gespeichert. Ein Gramm Protein liefert 4 Kalorien Energie.

Der wichtigste Aspekt der Proteinstruktur aus ernährungsphysiologischer Sicht ist die Aminosäurezusammensetzung. Etwa 20 Aminosäuren kommen im menschlichen Körper häufig vor, von denen etwa 11 nicht essentiell sind, da sie intern synthetisiert werden können. Die anderen 9 Aminosäuren sind essentielle Aminosäuren, die aus Nahrungsquellen aufgenommen werden müssen. Essentielle Aminosäuren sind Phenylalanin, Valin, Threonin, Tryptophan, Methionin, Leucin, Isoleucin, Lysin und Histidin. Tierische Proteine ​​wie Fleisch und Fisch sind konzentrierte Quellen aller 9 essentiellen Aminosäuren, während pflanzliche Proteine ​​möglicherweise nur Spuren einer oder mehrerer essentieller Aminosäuren enthalten.

Lipide

Lipide, allgemein als Fette bezeichnet, sind organische Verbindungen, die hauptsächlich aus Fettsäuren bestehen. Fette in Lebensmitteln (Abbildung (PageIndex{4})) sowie Fette im menschlichen Körper sind typischerweise Triglyceride (drei Fettsäuren, die an ein Glycerinmolekül gebunden sind). Fette versorgen den Körper mit Energie und dienen anderen lebenswichtigen Funktionen, einschließlich der Unterstützung beim Aufbau und Erhalt von Zellmembranen und der Funktion als Hormone. Wenn es zur Energiegewinnung verwendet wird, liefert ein Gramm Fett 9 Kalorien an Energie.

Gesättigte vs. ungesättigte Fettsäuren

Fette werden je nach Art der Bindungen in ihren Fettsäuren entweder als gesättigt oder ungesättigt klassifiziert.

  • In gesättigten Fetten teilen Kohlenstoffatome nur Einfachbindungen, sodass jedes Kohlenstoffatom an so viele Wasserstoffatome wie möglich gebunden ist. Gesättigte Fette sind bei Raumtemperatur in der Regel fest. Die meisten gesättigten Fettsäuren in der Nahrung stammen aus tierischen Lebensmitteln wie Fleisch und Butter.
  • In ungesättigten Fetten teilen mindestens ein Paar Kohlenstoffatome eine Doppelbindung, sodass diese Kohlenstoffatome nicht an möglichst viele Wasserstoffatome gebunden sind. Ungesättigte Fette mit nur einer Doppelbindung werden als einfach ungesättigte Fette bezeichnet. Diejenigen mit mehreren Doppelbindungen werden als mehrfach ungesättigte Fette bezeichnet. Ungesättigte Fette sind bei Raumtemperatur in der Regel flüssig. Ungesättigte Fette in der Nahrung stammen hauptsächlich aus bestimmten Fischen wie Lachs und aus pflanzlichen Lebensmitteln wie Samen und Nüssen.

Essentiellen Fettsäuren

Die meisten Fettsäuren sind nicht essentiell. Der Körper kann sie nach Bedarf herstellen, in der Regel aus anderen Fettsäuren, was allerdings Energie kostet. Nur zwei Fettsäuren sind als essentiell bekannt, die Omega-3- und Omega-6-Fettsäuren. Sie können vom Körper nicht synthetisiert werden und müssen daher über die Nahrung aufgenommen werden. Die am häufigsten verwendeten Speiseöle in verarbeiteten Lebensmitteln sind reich an Omega-6-Fettsäuren, sodass die meisten Menschen diese Fettsäuren reichlich mit ihrer Nahrung aufnehmen. Omega-3-Fettsäuren sind in Lebensmitteln nicht so weit verbreitet, und die meisten Menschen nehmen nicht genug davon mit der Nahrung auf. Gute Nahrungsquellen für Omega-3-Fettsäuren sind fettiger Fisch wie Lachs, Walnüsse und Leinsamen.

Trans-Fette

Trans-Fette sind ungesättigte Fette, die Arten von Bindungen enthalten, die in der Natur selten sind. Transfette werden typischerweise in einem industriellen Prozess hergestellt, der als partielle Hydrierung bezeichnet wird. Sie können in einer Vielzahl von verarbeiteten Lebensmitteln (wie den in Abbildung (PageIndex{5}) gezeigten) verwendet werden, da sie dazu neigen, länger haltbar zu sein, ohne ranzig zu werden. Transfette gelten als gesundheitsschädlich.

Wasser

Wasser ist lebensnotwendig, da im Wasser biochemische Reaktionen ablaufen. Wasser wird dem Körper auf vielfältige Weise kontinuierlich entzogen, unter anderem über Urin und Kot, während des Schwitzens und als Wasserdampf in der ausgeatmeten Luft. Dieser ständige Wasserverlust macht Wasser zu einem essentiellen Nährstoff, der oft aufgefüllt werden muss.

Zu wenig Wasser wird als Dehydration bezeichnet. Es kann Schwäche, Schwindel und Herzklopfen verursachen. Schwere Dehydration kann zum Tod führen. Bei heißem Wetter kann man leicht dehydrieren, besonders beim Sport. Es ist schwieriger, zu viel Wasser zu sich zu nehmen, aber auch eine Überwässerung ist möglich. Dies kann zu einer Wasservergiftung führen, einem schwerwiegenden und möglicherweise tödlichen Zustand.

Mikronährstoffe

Mikronährstoffe sind Nährstoffe, die der Körper in relativ geringen Mengen benötigt. Mikronährstoffe liefern keine Energie. Stattdessen sind sie neben anderen lebenswichtigen Funktionen für die biochemischen Reaktionen des Stoffwechsels notwendig. Dazu gehören Vitamine, Mineralstoffe und möglicherweise auch sekundäre Pflanzenstoffe.

Vitamine

Vitamine sind organische Verbindungen, die im Allgemeinen als Coenzyme fungieren. Ein Coenzym ist ein „Helfer“-Molekül, das für die Arbeit eines Proteinenzyms benötigt wird. In dieser Eigenschaft spielen Vitamine viele Rollen für eine gute Gesundheit, von der Aufrechterhaltung eines normalen Sehvermögens (Vitamin A) bis hin zur Unterstützung der Blutgerinnung (Vitamin K). Einige Funktionen dieser und einiger anderer Vitamine sind in der folgenden Tabelle aufgeführt. Die meisten Vitamine sind essentielle Nährstoffe und müssen mit der Nahrung aufgenommen werden. Obst, Gemüse, Fleisch und Fisch sind alle reich an einem oder mehreren essentiellen Vitaminen. Es gibt nur wenige unwesentliche Vitamine. Vitamin B7 und K werden von Bakterien im Dickdarm produziert und Vitamin D wird in der Haut synthetisiert, wenn sie UV-Licht ausgesetzt wird

Tabelle (PageIndex{1}): Ausgewählte Vitamine und einige ihrer Funktionen
VitaminFunktion

EIN

normales Sehen

B1 (Thiamin)

Produktion von Zellenergie aus der Nahrung

B3(Niacin)

Herz-Kreislauf-Gesundheit

B7 (Biotin)

Unterstützung des Kohlenhydrat-, Protein- und Fettstoffwechsels

B9 (Folsäure)

Gesundheit und Entwicklung des Fötus

B12

normale Nervenfunktion und Produktion von roten Blutkörperchen

C

Bindegewebe herstellen

D

gesunde Knochen und Zähne

E

normale Zellmembranen

K

Blutgerinnung

Mineralien

Mineralien sind anorganische chemische Elemente, die für normale Körperprozesse und eine gute Gesundheit notwendig sind. Da sie anorganisch und nicht biologisch synthetisiert sind, gelten alle Nährstoffmineralien als essentielle Nährstoffe.

Mehrere Mineralien werden in relativ großen Mengen (> 150 mg/Tag) benötigt, daher werden sie manchmal als Makromineralien oder Massenmineralien bezeichnet. Sie beinhalten:

  • Calcium, das für die Knochenstärke, die Neutralisierung der Säure im Verdauungstrakt und die Funktion der Nerven- und Zellmembranen benötigt wird. Milchprodukte sind gute Kalziumlieferanten.
  • Magnesium, das für starke Knochen, die Aufrechterhaltung des pH-Werts, die Verarbeitung von ATP und andere Funktionen benötigt wird. Grünes Blattgemüse, Kleie und Mandeln sind reich an Magnesium.
  • Phosphor, der für die Knochenstärke, Energieverarbeitung, pH-Regulierung und Phospholipide in Zellmembranen benötigt wird. Milch und Fleisch sind gute Phosphorlieferanten.
  • Natrium, das benötigt wird, um das Blutvolumen, den Blutdruck, den Wasserhaushalt und den pH-Wert zu regulieren. Die meisten verarbeiteten Lebensmittel haben Natrium hinzugefügt. Ein Salzstreuer ist eine weitere häufige Natriumquelle.
  • Chlorid, das für die Produktion von Salzsäure im Magen und für den Zellmembrantransport benötigt wird. Chlorid in Speisesalz, das verarbeiteten Lebensmitteln zugesetzt wird, liefert in den meisten Diäten viel Chlorid.
  • Kalium, das für das reibungslose Funktionieren des Herzens und der Nerven, des Wasserhaushalts und des pH-Werts benötigt wird. Viele Obst- und Gemüsesorten sind reich an Kalium.
  • Schwefel, der für die Synthese vieler Proteine ​​benötigt wird. Fleisch und Fisch sind gute Schwefelquellen.

Andere Mineralien werden in viel geringeren Mengen benötigt (≤150 mg/Tag), daher werden sie oft als Spurenelemente bezeichnet. Die folgende Tabelle listet mehrere Spurenelemente und einige ihrer Funktionen auf. Gute Nahrungsquellen für Spurenelemente sind Vollkornprodukte, Meeresfrüchte, Obst, Gemüse, Nüsse und Hülsenfrüchte.

Tabelle (PageIndex{2}): Ausgewählte Spurenelemente und einige ihrer Funktionen
SpurenelementFunktion

Kobalt

Synthese von Vitamin B12 durch Darmbakterien

Kupfer

Bestandteil vieler Enzyme

Chrom

Zuckerstoffwechsel

Jod

Synthese von Schilddrüsenhormonen

Eisen

Bestandteil von Hämoglobin und vielen Enzymen

Mangan

Verarbeitung von Sauerstoff

Molybdän

Bestandteil mehrerer Enzyme

Selen

Bestandteil von Oxidasen (Antioxidantien)

Zink

Bestandteil mehrerer Enzyme

Phytochemikalien

Die natürlich vorkommenden, krankheits- und schädlingsbekämpfenden Pflanzenchemikalien, die als Phytochemikalien bekannt sind, werden häufig in pflanzlichen Lebensmitteln, insbesondere Gewürzen und frischem Gemüse und Obst, konsumiert. Neben der Bekämpfung von Pflanzenbefall verleihen viele sekundäre Pflanzenstoffe den Pflanzen ihre unverwechselbaren Farben und charakteristischen Geschmacks- und Aromastoffe. Phytochemikalien sind der Grund dafür, dass Blaubeeren blau sind (Abbildung (PageIndex{6})) und Knoblauch seinen charakteristisch starken, scharfen Geschmack und Geruch hat. In Pflanzen sind bis zu 4.000 verschiedene sekundäre Pflanzenstoffe bekannt. Vorläufige Beweise deuten darauf hin, dass bestimmte sekundäre Pflanzenstoffe in der Nahrung zum Schutz der menschlichen Gesundheit beitragen. Zum Beispiel können einige sekundäre Pflanzenstoffe als Antioxidantien wirken, die krebserregenden freien Radikalen entgegenwirken. Die Forschung zu sekundären Pflanzenstoffen ist noch relativ jung, daher wird die Zeit zeigen, ob sie irgendwann als Mikronährstoffe eingestuft werden.

Rezension

  1. Was sind die Nährstoffe?
  2. Nennen Sie die sechs Hauptklassen von Nährstoffen basierend auf biochemischen Eigenschaften.
  3. Vergleichen und kontrastieren Sie essentielle und nicht-essentielle Nährstoffe.
  4. Identifizieren Sie Makronährstoffe.
  5. Welche Nährstoffe werden als Mikronährstoffe klassifiziert? Wieso den?
  6. Beschreiben Sie Kohlenhydrate, geben Sie an, wie viel Energie sie liefern, und listen Sie gute Nahrungsquellen für Kohlenhydrate auf.
  7. Wenn Ballaststoffe in Lebensmitteln nicht verdaut werden können, warum gelten sie dann als Nährstoff?
  8. Beschreiben Sie Proteine, geben Sie ihre allgemeine Verwendung im menschlichen Körper an und identifizieren Sie proteinreiche Nahrungsquellen. Wie viel Energie liefern Proteine?
  9. Beschreiben Sie Lipide, identifizieren Sie, wie viel Energie sie liefern, und geben Sie ihre allgemeine Verwendung im menschlichen Körper an.
  10. Unterscheiden Sie zwischen gesättigten, ungesättigten und Transfettsäuren.
  11. Wasser liefert keine Energie oder Materialien, die der Körper zum Aufbau oder zur Steuerung von Körperprozessen benötigt. Warum gilt es als Nährstoff?
  12. Was sind Vitamine? Welche allgemeine Rolle spielen die meisten Vitamine? Welche Vitamine sind keine essentiellen Nährstoffe? Wieso den?
  13. Was sind die Nahrungsmineralien? Nennen Sie Beispiele für Makromineralien und Spurenelemente.
  14. Was sind sekundäre Pflanzenstoffe? Was sind gute Nahrungsquellen für sekundäre Pflanzenstoffe?
  15. Welche der folgenden sind anorganische Stoffe?
    1. Vitamine
    2. Mineralien
    3. Alle Mikronährstoffe
    4. A und B

Erkunde mehr

Es hat sich gezeigt, dass die Aufnahme der bioaktiven Komponenten in Obst und Gemüse über die Nahrung eine chemopräventive Wirkung hat. Es wurde festgestellt, dass viele Flavonoide für Krebszellen zytotoxisch sind. Erfahren Sie hier mehr:


4. Pflanzenernährung

A) Zwischen den Regionen A und B erhöht eine Zunahme der Lichthelligkeit die Photosyntheserate.

B) Dies zeigt an, dass die Geschwindigkeit, mit der die Photosynthese stattfindet, durch die verfügbare Lichtmenge begrenzt ist.

C) Bei höheren Lichtintensitäten (d. h. nach Punkt C) würde eine weitere Erhöhung der Lichtintensität die Photosyntheserate nicht erhöhen.

D) Dies impliziert, dass der Photosyntheseprozess die maximale Lichtmenge empfängt, die er nutzen kann.

E) Daher wird eine Erhöhung der Lichtintensität die Rate nicht erhöhen.

Abb.4.2 Einfluss der Temperatur auf die Photosyntheserate

A) Bei niedriger Temperatur ist die Photosynthese inaktiv.

B) Mit steigender Temperatur nimmt auch die Photosyntheserate zu.

C) Bei optimaler Temperatur befindet sich die Photosynthese in ihrem aktivsten Zustand.

D) Oberhalb der optimalen Temperatur nimmt die Photosyntheserate ab.

E) Bei extremer Temperatur stoppt die Photosynthese, weil die an diesem Prozess beteiligten Enzyme denaturiert werden.

Da die Photosynthese durch Hitze negativ beeinflusst werden kann, müssen Enzyme beteiligt sein.

A) Je mehr CO2 vorhanden ist, desto schneller ist die Photosyntheserate.

B) Die CO2-Konzentration darf 0,03 % nicht überschreiten, da dies die Menge an CO2 in der Luft ist.

C) Sie kann unter experimentellen Bedingungen nur 0,03% überschreiten.

4. Bedeutung der Photosynthese:

  • Es reduziert die Menge an CO2 in der Luft, die die Hauptursache für die globale Erwärmung ist.
  • Es produziert Sauerstoff, um andere Organismen bei der Atmung zu unterstützen.
  • Es produziert Nahrung, die die Energiequelle für andere Organismen und sich selbst ist

Abb.4.3 Die äußere Struktur eines Blattes

Abb.4.4 Die innere Struktur eines Blattes

6. Die wichtigsten Eigenschaften von Blättern:

  • Die Zellen in der Palisadenschicht sind mit Chloroplasten gefüllt, die viel Chlorophyll enthalten. Hier geht die Photosynthese weiter.
  • Die Palisaden- und Schwammschichten sind voller Lufträume, damit CO2 die Palisadenzellen erreichen kann.
  • Die Zellen in der Epidermis produzieren Wachs, das die Blattstrukturen, insbesondere die Oberseite, bedeckt. Damit soll ein Wasserverlust verhindert werden.
  • Die untere Oberfläche ist voll von kleinen Löchern, die Stomata genannt werden. Sie sind dazu da, CO2 einzulassen. Sie lassen auch Wasser entweichen – so entsteht der Transpirationsstrom.
  • Xylem- und Phloemgefäße bedecken das ganze Blatt wie winzige “Adern”, um Wasser an jeden Teil des Blattes zu liefern und dann die vom Blatt produzierte Nahrung wegzunehmen.
  • Die Spaltöffnungen schließen sich automatisch, wenn der Wasservorrat aus den Wurzeln zu versiegen beginnt.
  • Die Schließzellen kontrollieren dies. Bei Wasserknappheit werden sie schlaff und verändern ihre Form, wodurch die Stomataporen geschlossen werden.
  • Dadurch wird ein weiterer Wasserverlust verhindert, aber auch das Eindringen von CO2 verhindert, so dass auch die Photosynthese stoppt.

4.2 Pflanzenmineralienernährung
1. Stickstoff: Pflanzen brauchen Stickstoff, um Proteine ​​herzustellen. Stickstoff erhielten sie aus den Stickstoffverbindungen des Bodens. •


4.2: Nährstoffe - Biologie

Das Bakterium Neisseria gonorrhoeae verursacht Infektionen im Zusammenhang mit dem menschlichen Fortpflanzungssystem. Die Grafik zeigt den Prozentsatz der Proben, bei denen dieses Bakterium über einen Zeitraum von zehn Jahren Resistenzen gegen sechs Antibiotika aufwies.

Was ist eine mögliche Erklärung dafür, dass der prozentuale Gesamtwiderstand im Jahr 2010 größer als 100 % war?

A. Menschen nehmen die Antibiotika nicht wie verordnet ein.

B. In diesem Jahr wurden mehr Personen beprobt.

C. Es gab eine Epidemie von Neisseria gonorrhoeae in diesem Jahr.

D. Einige Bakterien sind gegen mehr als ein Antibiotikum resistent.


Bodenbeschaffenheitsklassen

Die Namen der Bodentexturklassen sollen Ihnen eine Vorstellung von ihrem strukturellen Aufbau und ihren physikalischen Eigenschaften geben. Die drei Grundgruppen der Texturklassen sind Sande, Tone und Lehme.

Ein Boden im Sandgruppe enthält mindestens 70 Gew.-% Sand. Ein Boden im Tongruppe muss mindestens 35 % Ton und in den meisten Fällen nicht weniger als 40 % enthalten. Ein Lehmboden ist idealerweise eine Mischung aus Sand-, Schluff- und Tonpartikeln, die zu etwa gleichen Anteilen leichte und schwere Eigenschaften aufweisen, also ein Boden im Lehmgruppe beginnt an diesem Punkt und enthält dann mehr oder weniger Sand, Schluff oder Ton.

Zusätzliche Texturklassennamen basieren auf diesen drei grundlegenden Gruppen. Der Basisgruppenname steht immer an letzter Stelle im Klassennamen. So gehört lehmiger Sand zur Sandgruppe und sandiger Lehm zur Lehmgruppe (siehe Abbildung 4.2).

Abbildung 4.2 Bodentextur-Dreieck. Quelle: Bild angepasst von Hunt und Gilkes (1992)
https://s3.amazonaws.com/soilquality-production/fact_sheets/28/original/Phys_-_Measuring_Soil_Texture_in_the_Lab_web.pdf

Die Partikelgrößenverteilung kann durch Laboranalyse bestimmt werden, wobei die Ergebnisse in Prozent angegeben werden. Die Textur wird bestimmt, indem Linien vom Prozentpunkt auf der entsprechenden Achse parallel zur Seite des Dreiecks am Nullende derselben Achse gezogen werden. Der Schnittpunkt der 3 Linien zeigt die Bodentextur an. Ein Boden mit 40 % Schluff, 30 % Ton und 30 % Sand ist ein schluffiger Ton-Lehm – Siehe die roten Linien in Abbildung 4.2.

Die Bodentextur beeinflusst viele physikalische Bodeneigenschaften wie Wasserhaltevermögen und Entwässerung. Grob strukturierte Sandböden haben im Allgemeinen hohe Infiltrationsraten, aber ein geringes Wasserhaltevermögen. Schluffpartikel sind viel kleiner als Sand, haben eine größere Oberfläche und sind im Allgemeinen ziemlich fruchtbar. Schlick hält nicht so viel Feuchtigkeit wie Tonböden, aber mehr Feuchtigkeit steht Pflanzen zur Verfügung. Tonböden mit feiner Struktur haben im Allgemeinen eine geringere Infiltrationsrate, aber ein gutes Wasserhaltevermögen.

Die Bodentextur beeinflusst auch die inhärente Fruchtbarkeit des Bodens. Durch ein Gramm Tonpartikel können mehr Nährstoffe adsorbiert werden als durch ein Gramm Sand- oder Schluffpartikel, da die Tonpartikel eine viel größere Oberfläche für die Adsorption bereitstellen. Ton ist der aktive Teil des Bodens. Hier werden Bodennährstoffe gespeichert und größtenteils von dort aus ausgetauscht. Der Tonanteil hat auch einen großen Einfluss auf die Bodenstrukturstabilität und damit auf das Erosionsrisiko. Weitere Informationen finden Sie in Abschnitt 4.3.1 Nährstoffverfügbarkeit und Kationenaustauschkapazität.

Die Textur eines Bodens kann im Feld mit dem Bodentexturschlüssel leicht abgeschätzt werden – siehe Tabelle 4.1. Kneten Sie zuerst eine kleine Handvoll Erde zu einer Kugel von etwa 4 cm Durchmesser, nachdem Sie alle Steine ​​​​und Pflanzenmaterial entfernt haben. Dann die Erde langsam anfeuchten und zwischen Daumen und Zeigefinger zu einem Band formen oder zusammendrücken. Anhand der Länge des Bandes und der Eigenschaften der Kugel lässt sich die Texturklasse des Bodens abschätzen.

Tabelle 4.1 Bodeneigenschaften, die auf die Bodentextur hinweisen. Quelle: Euroconsult 1989, McDonald et al. 1990 zitiert in Moody & Cong 2008.

4.2.2 Bodenstruktur

4.2.2 Bodenstruktur

Die Bodenstruktur bezieht sich auf die Anordnung von Bodenpartikeln (Sand, Schluff und Ton) und Poren im Boden und auf die Fähigkeit der Partikel, Aggregate zu bilden.

Aggregate sind Gruppen von Bodenpartikeln, die durch organische Stoffe oder chemische Kräfte zusammengehalten werden. Poren sind die Räume im Boden.

Die Poren zwischen den Aggregaten sind normalerweise groß ( Makroporen ). Ihre große Größe ermöglicht eine gute Belüftung, ein schnelles Eindringen von Wasser, ein leichtes Durchwurzeln der Pflanzen, eine gute Wasserableitung sowie gute Bedingungen für das Gedeihen von Bodenmikroorganismen. Die kleineren Poren innerhalb der Aggregate oder zwischen Bodenpartikeln ( Mikroporen ) halten Wasser gegen die Schwerkraft ( Kapillarwirkung ) aber nicht unbedingt so fest, dass Pflanzen das Wasser nicht extrahieren können.

Ein gut strukturierter Boden bildet stabile Aggregate (Aggregate, die nicht leicht auseinanderfallen) und hat viele Poren unterschiedlicher Größe – siehe Abbildung 4.3a. Ein gut strukturierter Boden ist brüchig, leicht zu bearbeiten und lässt keimende Setzlinge hervortreten und schnell ein starkes Wurzelsystem aufbauen.

Ein schlecht strukturierter Boden hat entweder wenige oder instabile (leicht zerbrechliche) Aggregate und wenige Porenräume – siehe Abbildung 4.3b. Ein schlecht strukturierter Boden kann zu unproduktiven, verdichteten oder wassergesättigten Böden mit schlechter Drainage und Belüftung führen. Auch ein schlecht strukturierter Boden neigt eher dazu, abzutrocknen und zu erodieren.

Abbildung 4.3 Bodenstruktur

4.2.3 Porenräume

4.2.3 Porenräume

Die Räume zwischen Bodenpartikeln (Ton, Schluff und Sand) und zwischen und innerhalb von Aggregaten (Bodenpartikelhaufen) werden als . bezeichnet Porenräume . Sie sind der Teil des Bodens, der von Luft und Wasser eingenommen wird. Wasser verdrängt Luft im Boden, und folglich ist der Luftgehalt eines Bodens umgekehrt proportional zum Wassergehalt. Ein hoher Wassergehalt im Boden bedeutet, dass weniger Luft im Boden vorhanden ist. Dies führt zu einem höheren Kohlendioxid- und einem niedrigeren Sauerstoffgehalt im Boden, was für das Pflanzenwachstum nicht günstig ist. Diese Bedingungen begünstigen auch die Denitrifikation, den biologischen Prozess, der Nitrat-Stickstoff in das Treibhausgas Lachgas umwandelt.

Bodenluft unterscheidet sich von atmosphärischer Luft, da die Zusammensetzung im Boden variabler ist, feuchter sein kann und einen höheren Kohlendioxid- und niedrigeren Sauerstoffgehalt als die Atmosphäre hat.

Anzahl und Größe der Porenräume werden durch die Größe der Bodenpartikel (Bodentextur) und die Anordnung der Bodenpartikel zu Aggregaten (Bodenstruktur) bestimmt. Die größeren Poren ( Makroporen ) lassen Luft und Sickerwasser leicht durch den Boden fließen. Die kleineren Poren ( Mikroporen ) lassen die Luft nicht leicht fließen und schränken auch die Wasserbewegung weitgehend ein.

Auch die Bodenbiologie spielt eine Rolle bei der Bodenbindung. Ein Beispiel hierfür ist die Sekretion von Glomalin aus arbuskulären Mykorrhiza-Pilzen – Siehe Kapitel 5 für weitere Informationen. Ein sandiger Boden hat möglicherweise nicht genügend organisches Material, um die Sandkörner zu größeren Aggregaten zu binden. In diesem Fall hat der Boden viele große Poren und sehr wenige kleine Poren. Die Pflanzenwurzeln haben viel Luft, aber das Wasser kann bei sehr wenig Speicher ungehindert durch den Boden abfließen. Andererseits hat ein verdichteter, schwerer Lehmboden viele kleine Poren und wenige große Poren. Pflanzen leiden darunter, dass das Wasser in den kleinen Poren so fest gebunden ist, dass die Pflanzenwurzeln es nicht aus dem Boden ziehen können. Der Boden ist schlecht belüftet und die Entwässerung ist schlecht. Folglich ist der Sauerstoff erschöpft.

4.2.4 Bodenwasser

4.2.4 Bodenwasser

Wasser im Boden beeinflusst stark das Pflanzenwachstum und die biologische Funktion des Bodens. Es bietet ein Medium, in dem sich Substanzen, einschließlich Nährstoffe, auflösen können, sodass sie für Pflanzenwurzeln zugänglich sind. Wasser ermöglicht auch den Abtransport von Nährstoffen aus dem Betrieb und trägt zu Erosions- und Verwitterungsprozessen bei. Die Bodentextur beeinflusst, wie Wasser im Boden gehalten wird und wie schnell Wasser in den Boden eindringt – Siehe Abschnitt 4.2.1.


Inhalt

Das Management der Bodenfruchtbarkeit beschäftigt Landwirte seit Jahrtausenden. Von Ägyptern, Römern, Babyloniern und frühen Germanen wird berichtet, dass sie Mineralien oder Dünger verwendeten, um die Produktivität ihrer Farmen zu steigern. [1] Die Wissenschaft der Pflanzenernährung begann lange vor der Arbeit des deutschen Chemikers Justus von Liebig, obwohl sein Name am häufigsten genannt wird. Nicolas Théodore de Saussure und damalige wissenschaftliche Kollegen widerlegten die Vereinfachungen von Justus von Liebig schnell. Es gab ein komplexes wissenschaftliches Verständnis der Pflanzenernährung, bei dem die Rolle von Humus und organisch-mineralischen Wechselwirkungen im Mittelpunkt stand und das mit neueren Entdeckungen ab 1990 übereinstimmte. [8] Prominente Wissenschaftler, auf die Justus von Liebig zurückgriff, waren Carl Ludwig Sprenger und Hermann Hellriegel. In diesem Bereich fand eine „Wissenserosion“ [9] statt, die teilweise durch die Vermischung von Wirtschaft und Forschung getrieben wurde. [10] John Bennet Lawes, ein englischer Unternehmer, begann 1837 mit Experimenten über die Auswirkungen verschiedener Düngemittel auf Pflanzen, die in Töpfen wachsen, und ein oder zwei Jahre später wurden die Experimente auf Feldfrüchte ausgeweitet. Eine unmittelbare Folge war, dass er 1842 einen durch Behandlung von Phosphaten mit Schwefelsäure hergestellten Dung patentieren ließ und damit als erster die Kunstdüngerindustrie begründete. Im darauffolgenden Jahr nahm er die Dienste von Joseph Henry Gilbert in Anspruch, gemeinsam führten sie am Institut für Ackerbauforschung Ernteversuche durch. [11]

Das Birkeland-Eyde-Verfahren war eines der konkurrierenden industriellen Verfahren zu Beginn der Stickstoffdüngemittelproduktion. [12] Dieser Prozess wurde verwendet, um atmosphärischen Stickstoff (N2) in Salpetersäure (HNO3), einer von mehreren chemischen Prozessen, die allgemein als Stickstofffixierung bezeichnet werden. Die resultierende Salpetersäure wurde dann als Nitratquelle (NO3 − ). In Rjukan und Notodden in Norwegen wurde eine auf dem Verfahren basierende Fabrik gebaut, verbunden mit dem Bau großer Wasserkraftwerke. [13]

Die 1910er und 1920er Jahre erlebten den Aufstieg des Haber-Prozesses und des Ostwald-Prozesses. Beim Haber-Verfahren entsteht Ammoniak (NH3) aus Methan (CH4) Gas und molekularer Stickstoff (N2). Das Ammoniak aus dem Haber-Prozess wird dann in Salpetersäure (HNO3) im Ostwald-Verfahren. [14] Nach dem Zweiten Weltkrieg wurden Stickstoffproduktionsanlagen, die für die Herstellung von Bomben aus Kriegszeiten hochgefahren waren, auf landwirtschaftliche Nutzung umgestellt. [15] Der Einsatz von synthetischen Stickstoffdüngern ist in den letzten 50 Jahren stetig gestiegen und hat sich auf derzeit 100 Millionen Tonnen Stickstoff pro Jahr fast verzwanzigfacht. [16]

Die Entwicklung von synthetischem Stickstoffdünger hat das globale Bevölkerungswachstum erheblich unterstützt – Schätzungen zufolge wird derzeit fast die Hälfte der Menschen auf der Erde durch den Einsatz von synthetischem Stickstoffdünger ernährt. [17] Auch der Einsatz von Phosphatdünger ist von 9 Millionen Tonnen pro Jahr im Jahr 1960 auf 40 Millionen Tonnen pro Jahr im Jahr 2000 gestiegen. 68–110 lb) Phosphatdünger für die Ausbringung von Sojabohnenpflanzen benötigen etwa die Hälfte, nämlich 20–25 kg pro Hektar. [18] Yara International ist der weltweit größte Hersteller von stickstoffbasierten Düngemitteln. [19]

Düngemittel fördern das Pflanzenwachstum. Dieses Ziel wird auf zwei Arten erreicht, wobei der traditionelle Zusatzstoff die Nährstoffe liefert. Die zweite Wirkungsweise einiger Düngemittel besteht darin, die Wirksamkeit des Bodens durch Modifizieren seiner Wasserspeicherung und Belüftung zu verbessern. Dieser Artikel betont, wie viele über Düngemittel, den ernährungsphysiologischen Aspekt. Düngemittel liefern typischerweise in unterschiedlichen Anteilen: [20]

    drei wichtige Makronährstoffe:
      (N): Blattwachstum (P): Entwicklung von Wurzeln, Blüten, Samen, Früchten (K): Starkes Stängelwachstum, Wasserbewegung in Pflanzen, Förderung der Blüte und Fruchtbildung

    Die für ein gesundes Pflanzenleben benötigten Nährstoffe werden nach den Elementen eingeteilt, die Elemente werden jedoch nicht als Düngemittel verwendet. Stattdessen sind Verbindungen, die diese Elemente enthalten, die Grundlage von Düngemitteln. Die Makronährstoffe werden in größeren Mengen verbraucht und sind im Pflanzengewebe in Mengen von 0,15 % bis 6,0 % bezogen auf Trockenmasse (TS) (0 % Feuchtigkeit) vorhanden. Pflanzen bestehen aus vier Hauptelementen: Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlenstoff und Stickstoff. Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff sind in Form von Wasser und Kohlendioxid weit verbreitet. Obwohl Stickstoff den größten Teil der Atmosphäre ausmacht, liegt er in einer Form vor, die für Pflanzen nicht verfügbar ist. Stickstoff ist der wichtigste Dünger, da Stickstoff in Proteinen, DNA und anderen Bestandteilen (z. B. Chlorophyll) enthalten ist. Um für Pflanzen nährstoffreich zu sein, muss Stickstoff in „fixierter“ Form zur Verfügung gestellt werden. Nur einige Bakterien und ihre Wirtspflanzen (insbesondere Hülsenfrüchte) können atmosphärischen Stickstoff (N2) durch Umwandlung in Ammoniak. Phosphat wird für die Produktion von DNA und ATP, dem Hauptenergieträger in Zellen, sowie für bestimmte Lipide benötigt.

    Mikrobiologische Überlegungen Bearbeiten

    Zwei Arten von enzymatischen Reaktionen sind für die Effizienz von stickstoffbasierten Düngemitteln von großer Bedeutung.

    Die erste ist die Hydrolyse (Reaktion mit Wasser) von Harnstoff. Viele Bodenbakterien besitzen das Enzym Urease, das die Umwandlung von Harnstoff in Ammoniumionen (NH .) katalysiert4 + ) und Bicarbonat-Ion (HCO3 − ).

    Ammoniakoxidierende Bakterien (AOB), wie z. B. Arten von Nitrosomonas, oxidieren Ammoniak zu Nitrit, ein Prozess, der als Nitrifikation bezeichnet wird. [21] Nitrit-oxidierende Bakterien, insbesondere Nitrobacter, Nitrit zu Nitrat oxidieren, das extrem mobil ist und eine der Hauptursachen für die Eutrophierung ist.

    Düngemittel werden auf verschiedene Arten klassifiziert. Sie werden danach klassifiziert, ob sie einen einzelnen Nährstoff liefern (z. B. K, P oder N). In diesem Fall werden sie als "Einzeldünger" klassifiziert. "Mehrnährstoffdünger" (oder "Komplexdünger") liefern zwei oder mehr Nährstoffe, zum Beispiel N und P. Düngemittel werden manchmal auch als anorganisch (das Thema des Großteils dieses Artikels) gegenüber organisch klassifiziert. Anorganische Düngemittel schließen kohlenstoffhaltige Materialien mit Ausnahme von Harnstoffen aus. Organische Düngemittel sind in der Regel (recycelte) pflanzliche oder tierische Stoffe. Anorganische werden manchmal als synthetische Düngemittel bezeichnet, da für ihre Herstellung verschiedene chemische Behandlungen erforderlich sind. [22]

    Einzelnährstoffdünger ("reine") Düngemittel Bearbeiten

    Der wichtigste Einzeldünger auf Stickstoffbasis ist Ammoniak oder seine Lösungen. Ammoniumnitrat (NH4NEIN3) ist ebenfalls weit verbreitet. Harnstoff ist eine weitere beliebte Stickstoffquelle mit dem Vorteil, dass er im Gegensatz zu Ammoniak bzw. Ammoniumnitrat fest und nicht explosiv ist. Einige Prozent des Stickstoffdüngemittelmarktes (4 % im Jahr 2007) [23] werden durch Calciumammoniumnitrat (Ca(NO3)2 • NH4 • 10H2Ö).

    Die wichtigsten reinen Phosphatdünger sind die Superphosphate. "Single Superphosphate" (SSP) besteht aus 14-18% P2Ö5, wiederum in Form von Ca(H2Bestellung4)2, aber auch Phosphorgips (CaSO4 • 2H2Ö). Triple Superphosphat (TSP) besteht typischerweise aus 44–48 % P2Ö5 und kein Gips. Eine Mischung aus Einfachsuperphosphat und Dreifachsuperphosphat wird als Doppelsuperphosphat bezeichnet. Mehr als 90 % eines typischen Superphosphatdüngers sind wasserlöslich.

    Der wichtigste Einzeldünger auf Kaliumbasis ist Kalisalz (MOP). Kalisalz besteht zu 95-99% aus KCl und ist typischerweise als 0-0-60 oder 0-0-62 Dünger erhältlich.

    Mehrnährstoffdünger Bearbeiten

    Diese Düngemittel sind üblich. Sie bestehen aus zwei oder mehr Nährstoffkomponenten.

    Binäre (NP, NK, PK) Düngemittel

    Wichtige Zweikomponentendünger versorgen die Pflanzen mit Stickstoff und Phosphor. Diese werden als NP-Dünger bezeichnet. Die wichtigsten NP-Dünger sind Monoammoniumphosphat (MAP) und Diammoniumphosphat (DAP). Der Wirkstoff in MAP ist NH4h2Bestellung4. Der Wirkstoff in DAP ist (NH4)2HPO4. Etwa 85 % der MAP- und DAP-Düngemittel sind wasserlöslich.

    NPK-Dünger sind Dreikomponentendünger, die Stickstoff, Phosphor und Kalium liefern. Es gibt zwei Arten von NPK-Düngern: Compound und Mischungen. Misch-NPK-Dünger enthalten chemisch gebundene Inhaltsstoffe, während gemischte NPK-Dünger physikalische Mischungen einzelner Nährstoffkomponenten sind.

    Die NPK-Bewertung ist ein Bewertungssystem, das die Menge an Stickstoff, Phosphor und Kalium in einem Düngemittel beschreibt. NPK-Werte bestehen aus drei durch Bindestriche getrennten Zahlen (z. B. 10-10-10 oder 16-4-8), die den chemischen Gehalt von Düngemitteln beschreiben. [24] [25] Die erste Zahl steht für den Stickstoffanteil im Produkt die zweite Zahl, P2Ö5 der dritte, K2O. Düngemittel enthalten eigentlich kein P2Ö5 oder K2O, aber das System ist eine herkömmliche Abkürzung für die Menge an Phosphor (P) oder Kalium (K) in einem Düngemittel. Ein 23-kg-Sack Dünger mit der Aufschrift 16-4-8 enthält 8 lb (3,6 kg) Stickstoff (16 % der 50 Pfund), eine Phosphormenge, die der in 2 Pfund P . entspricht2Ö5 (4% von 50 Pfund) und 4 Pfund K2O (8 % von 50 Pfund). Die meisten Düngemittel werden gemäß dieser N-P-K-Konvention gekennzeichnet, obwohl die australische Konvention, die einem N-P-K-S-System folgt, eine vierte Zahl für Schwefel hinzufügt und Elementarwerte für alle Werte einschließlich P und K verwendet. [26]

    Mikronährstoffe Bearbeiten

    Mikronährstoffe werden in kleineren Mengen verbraucht und sind im Pflanzengewebe in der Größenordnung von Teilen pro Million (ppm) vorhanden, im Bereich von 0,15 bis 400 ppm oder weniger als 0,04 % Trockenmasse. [27] [28] Diese Elemente werden oft für Enzyme benötigt, die für den Stoffwechsel der Pflanzen essentiell sind. Da diese Elemente Katalysatoren (Enzyme) ermöglichen, übersteigt ihre Wirkung bei weitem ihren Gewichtsprozentsatz. Typische Mikronährstoffe sind Bor, Zink, Molybdän, Eisen und Mangan. [20] Diese Elemente liegen als wasserlösliche Salze vor. Eisen stellt besondere Probleme dar, da es sich bei moderaten pH-Werten und Phosphatkonzentrationen im Boden in unlösliche (bio-unverfügbare) Verbindungen umwandelt. Aus diesem Grund wird Eisen oft als Chelatkomplex verabreicht, z. B. die EDTA- oder EDDHA-Derivate. Der Mikronährstoffbedarf hängt von der Pflanze und der Umgebung ab. Zum Beispiel scheinen Zuckerrüben Bor und Hülsenfrüchte Kobalt zu benötigen [1], während Umweltbedingungen wie Hitze oder Trockenheit Bor für Pflanzen weniger verfügbar machen. [29]

    Stickstoffdünger Bearbeiten

    Top-Anwender von Stickstoffdünger [30]
    Land N-Gesamtverbrauch
    (MT pa)
    Amt. benutzt für
    Futter/Weide
    (MT pa)
    China 18.7 3.0
    Indien 11.9 Nicht zutreffend [31]
    UNS. 9.1 4.7
    Frankreich 2.5 1.3
    Deutschland 2.0 1.2
    Brasilien 1.7 0.7
    Kanada 1.6 0.9
    Truthahn 1.5 0.3
    Vereinigtes Königreich 1.3 0.9
    Mexiko 1.3 0.3
    Spanien 1.2 0.5
    Argentinien 0.4 0.1

    Stickstoffdünger werden aus Ammoniak (NH3) nach dem Haber-Bosch-Verfahren hergestellt. [23] Bei diesem energieintensiven Prozess wird Erdgas (CH4) liefert normalerweise den Wasserstoff, und der Stickstoff (N2) wird aus der Luft gewonnen. Dieses Ammoniak wird als Ausgangsstoff für alle anderen Stickstoffdünger verwendet, wie zum Beispiel wasserfreies Ammoniumnitrat (NH4NEIN3) und Harnstoff (CO(NH2)2).

    Ablagerungen von Natriumnitrat (NaNO3) (Chilenischer Salpeter) kommt auch in der Atacama-Wüste in Chile vor und wurde als einer der ursprünglichen (1830) stickstoffreichen Düngemittel verwendet. [32] Es wird immer noch für Dünger abgebaut. [33] Nitrate werden auch nach dem Ostwald-Prozess aus Ammoniak hergestellt.

    Phosphatdünger Bearbeiten

    Phosphatdünger werden durch Extraktion aus Phosphatgestein gewonnen, das zwei phosphorhaltige Hauptmineralien enthält, Fluorapatit Ca5(PO4)3F (CFA) und Hydroxyapatit Ca5(PO4)3OH. Diese Mineralien werden durch Behandlung mit Schwefelsäure (H .) in wasserlösliche Phosphatsalze umgewandelt2SO4) oder Phosphorsäuren (H3Bestellung4). Die große Produktion von Schwefelsäure wird in erster Linie durch diese Anwendung motiviert. [34] Beim Nitrophosphat-Verfahren oder Odda-Verfahren (erfunden 1927) wird Phosphatgestein mit bis zu 20 % Phosphor (P)-Gehalt mit Salpetersäure (HNO3) um eine Mischung aus Phosphorsäure (H3Bestellung4) und Calciumnitrat (Ca(NO3)2). Diese Mischung kann mit einem Kaliumdünger kombiniert werden, um a Mehrnährstoffdünger mit den drei Makronährstoffen N, P und K in leicht löslicher Form. [35]

    Kaliumdünger Bearbeiten

    Kali ist eine Mischung aus Kaliummineralien, die zur Herstellung von Kaliumdünger (chemisches Symbol: K) verwendet wird. Kali ist in Wasser löslich, daher umfasst der Hauptaufwand bei der Herstellung dieses Nährstoffs aus dem Erz einige Reinigungsschritte, z. B. die Entfernung von Natriumchlorid (NaCl) (Kochsalz). Manchmal wird Kali als K . bezeichnet2O, der Einfachheit halber für diejenigen, die den Kaliumgehalt beschreiben. Tatsächlich sind Kalidünger normalerweise Kaliumchlorid, Kaliumsulfat, Kaliumcarbonat oder Kaliumnitrat. [36]

    NPK-Dünger Bearbeiten

    Es gibt vier Hauptwege zur Herstellung von NPK-Düngemitteln: 1) Dampfgranulation, 2) chemische Granulierung, 3) Verdichtung, 4) Massenmischung. Die ersten drei Verfahren werden verwendet, um zusammengesetzte NPKs herzustellen. Bei der Dampfgranulation werden Rohstoffe gemischt und mit Dampf als Bindemittel weiter granuliert. Der chemische Granulierungsprozess basiert auf chemischen Reaktionen zwischen flüssigen Rohstoffen (wie Phosphorsäure, Schwefelsäure, Ammoniak) und festen Rohstoffen (wie Kaliumchlorid, Recyclingmaterial). Die Verdichtung setzt hohen Druck ein, um trockene Pulvermaterialien zu agglomerieren. Schließlich werden Bulk-Mischungen durch Mischen von Einzeldünger hergestellt.

    Organische Düngemittel Bearbeiten

    „Organische Düngemittel“ können solche Düngemittel mit organischem – biologischem – Ursprung beschreiben, d. h. Düngemittel, die aus lebenden oder ehemals lebenden Materialien gewonnen werden. Organische Düngemittel können auch kommerziell erhältliche und häufig verpackte Produkte beschreiben, die danach streben, den Erwartungen und Einschränkungen des „ökologischen Landbaus“ und des „umweltfreundlichen“ Gartenbaus zu entsprechen – verwandte Systeme der Lebensmittel- und Pflanzenproduktion, die den Einsatz von synthetischen Düngemitteln erheblich einschränken oder strikt vermeiden und Pestizide.Der „organische Dünger“ Produkte enthalten typischerweise sowohl einige organische Materialien als auch akzeptable Zusatzstoffe wie Nährgesteinspulver, gemahlene Muscheln (Krabben, Austern usw.), andere zubereitete Produkte wie Samenmehl oder Seetang und kultivierte Mikroorganismen und Derivate.

    Düngemittel organischen Ursprungs (erste Definition) umfassen tierische Abfälle, pflanzliche Abfälle aus der Landwirtschaft, Kompost und behandelten Klärschlamm (Biosolids). Neben Dünger können tierische Quellen auch Produkte aus der Schlachtung von Tieren umfassen – Blutmehl, Knochenmehl, Federmehl, Häute, Hufe und Hörner sind typische Bestandteile. [20] Der Industrie zur Verfügung stehende organisch gewonnene Materialien wie Klärschlamm sind aufgrund von Faktoren, die von Restschadstoffen bis hin zur öffentlichen Wahrnehmung reichen, möglicherweise keine akzeptablen Bestandteile des ökologischen Land- und Gartenbaus. Andererseits können vermarktete „organische Düngemittel“ verarbeitete organische Stoffe umfassen und fördern da die Materialien haben Verbraucherattraktivität. Unabhängig von der Definition oder Zusammensetzung enthalten die meisten dieser Produkte weniger konzentrierte Nährstoffe, und die Nährstoffe sind nicht so leicht zu quantifizieren. Sie können sowohl bodenbildende Vorteile bieten als auch für diejenigen attraktiv sein, die versuchen, "natürlicher" zu bewirtschaften / zu gärtnern. [37]

    Vom Volumen her ist Torf das am weitesten verbreitete verpackte organische Bodenverbesserungsmittel. Es ist eine unreife Form der Kohle und verbessert den Boden durch Belüftung und Wasseraufnahme, verleiht den Pflanzen jedoch keinen Nährwert. Es handelt sich also nicht um einen Dünger im Sinne des Artikelanfangs, sondern um eine Ergänzung. Kokosfasern (abgeleitet aus Kokosnussschalen), Rinde und Sägemehl, wenn sie dem Boden zugesetzt werden, wirken alle ähnlich (aber nicht identisch) wie Torf und werden aufgrund ihres begrenzten Nährstoffeintrags auch als organische Bodenverbesserungsmittel – oder Texturgeber – angesehen. Einige organische Zusatzstoffe können eine umgekehrte Wirkung auf die Nährstoffe haben – frisches Sägemehl kann beim Abbau Bodennährstoffe verbrauchen und den pH-Wert des Bodens senken – aber dieselben organischen Texturgeber (sowie Kompost usw.) können die Verfügbarkeit von Nährstoffen durch verbessertes . erhöhen Kationenaustausch oder durch vermehrtes Wachstum von Mikroorganismen, die wiederum die Verfügbarkeit bestimmter Pflanzennährstoffe erhöhen. Organische Düngemittel wie Komposte und Düngemittel können lokal verteilt werden, ohne in die Industrieproduktion zu gehen, was eine Quantifizierung des tatsächlichen Verbrauchs erschwert.

    Düngemittel werden im Allgemeinen für den Anbau aller Kulturpflanzen verwendet, wobei die Ausbringungsmengen von der Bodenfruchtbarkeit abhängen, die normalerweise durch einen Bodentest und entsprechend der jeweiligen Kulturpflanze gemessen wird. Hülsenfrüchte zum Beispiel binden Stickstoff aus der Atmosphäre und benötigen in der Regel keinen Stickstoffdünger.

    Flüssig vs. fest Bearbeiten

    Düngemittel werden sowohl in fester als auch in flüssiger Form auf Pflanzen ausgebracht. Etwa 90% der Düngemittel werden als Feststoffe ausgebracht. Die am häufigsten verwendeten festen anorganischen Düngemittel sind Harnstoff, Diammoniumphosphat und Kaliumchlorid. [38] Fester Dünger wird normalerweise granuliert oder pulverisiert. Oftmals sind Feststoffe als Prills, ein festes Kügelchen, erhältlich. Flüssigdünger umfassen wasserfreies Ammoniak, wässrige Lösungen von Ammoniak, wässrige Lösungen von Ammoniumnitrat oder Harnstoff. Diese konzentrierten Produkte können mit Wasser verdünnt werden, um einen konzentrierten Flüssigdünger (z. B. HAN) zu bilden. Vorteile von Flüssigdünger sind die schnellere Wirkung und die leichtere Abdeckung. [20] Die Zugabe von Dünger zum Bewässerungswasser wird als "Fertigation" bezeichnet. [36]

    Harnstoff Bearbeiten

    Harnstoff ist sehr gut wasserlöslich und eignet sich daher auch sehr gut für den Einsatz in Düngelösungen (in Kombination mit Ammoniumnitrat: HAN), z. B. in Blattdünger. Für die Düngemittelanwendung werden Granulate aufgrund ihrer engeren Partikelgrößenverteilung gegenüber Prills bevorzugt, was für die mechanische Anwendung von Vorteil ist.

    Harnstoff wird normalerweise mit Raten zwischen 40 und 300 kg/ha (35 bis 270 lbs/acre) ausgebracht, aber die Raten variieren. Kleinere Anwendungen verursachen geringere Verluste durch Auslaugen. Im Sommer wird Harnstoff oft kurz vor oder während des Regens ausgebracht, um Verluste durch Verflüchtigung (ein Prozess, bei dem Stickstoff als Ammoniakgas an die Atmosphäre abgegeben wird) zu minimieren.

    Aufgrund der hohen Stickstoffkonzentration im Harnstoff ist es sehr wichtig, eine gleichmäßige Verteilung zu erreichen. Die Aussaat darf nicht in Kontakt mit oder in der Nähe des Saatguts erfolgen, da die Gefahr von Keimschäden besteht. Harnstoff löst sich in Wasser zur Anwendung als Spray oder durch Bewässerungssysteme.

    Bei Getreide- und Baumwollkulturen wird Harnstoff häufig beim letzten Anbau vor der Aussaat ausgebracht. In Gebieten mit hohem Niederschlag und auf sandigen Böden (wo Stickstoff durch Auswaschung verloren gehen kann) und wo während der Saison gute Niederschläge erwartet werden, kann Harnstoff während der Vegetationsperiode seitlich oder oben gedüngt werden. Top-Dressing ist auch auf Weide- und Futterpflanzen beliebt. Beim Anbau von Zuckerrohr wird Harnstoff nach dem Pflanzen seitlich behandelt und auf jede Ratoon-Ernte aufgebracht.

    Da es Feuchtigkeit aus der Atmosphäre aufnimmt, wird Harnstoff oft in geschlossenen Behältern gelagert.

    Eine Überdosierung oder Platzierung von Harnstoff in der Nähe von Samen ist schädlich. [39]

    Langzeitdünger und Dünger mit kontrollierter Freisetzung Bearbeiten

    Blattanwendung Bearbeiten

    Blattdünger werden direkt auf die Blätter aufgetragen. Diese Methode wird fast ausnahmslos für die Ausbringung von wasserlöslichen Stickstoffeinzeldüngern und insbesondere für hochwertige Nutzpflanzen wie Obst verwendet. Harnstoff ist der häufigste Blattdünger. [20]

    Chemikalien, die die Stickstoffaufnahme beeinflussen Bearbeiten

    Verschiedene Chemikalien werden verwendet, um die Effizienz von stickstoffbasierten Düngemitteln zu erhöhen. Auf diese Weise können Landwirte die umweltschädlichen Auswirkungen des Stickstoffabflusses begrenzen. Nitrifikationshemmer (auch als Stickstoffstabilisatoren bekannt) unterdrücken die Umwandlung von Ammoniak in Nitrat, ein Anion, das anfälliger für Auswaschung ist. Beliebt sind 1-Carbamoyl-3-methylpyrazol (CMP), Dicyandiamid, Nitrapyrin (2-Chlor-6-trichlormethylpyridin) und 3,4-Dimethylpyrazolphosphat (DMPP). [42] Urease-Inhibitoren werden verwendet, um die hydrolytische Umwandlung von Harnstoff in Ammoniak zu verlangsamen, das sowohl zur Verdampfung als auch zur Nitrifikation neigt. Die Umwandlung von Harnstoff in Ammoniak wird durch Enzyme namens Ureasen katalysiert. Ein beliebter Inhibitor von Ureasen ist N-(n-Butyl)thiophosphorsäuretriamid (NBPT).

    Überdüngung Bearbeiten

    Der sorgfältige Einsatz von Düngetechnologien ist wichtig, da überschüssige Nährstoffe schädlich sein können. [43] Wenn zu viel Dünger ausgebracht wird, kann es zu Düngerverbrennungen kommen, die zu Schäden oder sogar zum Tod der Pflanze führen können. Düngemittel unterscheiden sich in ihrer Neigung zum Brennen ungefähr entsprechend ihrem Salzindex. [44] [45]

    In letzter Zeit haben sich die Stickstoffdüngemittel in den meisten Industrieländern stabilisiert. China hat sich jedoch zum größten Produzenten und Verbraucher von Stickstoffdüngemitteln entwickelt. [47] Afrika ist wenig auf Stickstoffdünger angewiesen. [48] ​​Landwirtschaftliche und chemische Mineralien sind sehr wichtig für die industrielle Verwendung von Düngemitteln, deren Wert auf etwa 200 Milliarden US-Dollar geschätzt wird. [49] Stickstoff hat einen bedeutenden Einfluss auf den weltweiten Mineralverbrauch, gefolgt von Kali und Phosphat. Die Stickstoffproduktion hat seit den 1960er Jahren drastisch zugenommen. Phosphat und Kali sind seit den 1960er Jahren im Preis gestiegen, der höher ist als der Verbraucherpreisindex. [49] Kali wird in Kanada, Russland und Weißrussland produziert und macht zusammen über die Hälfte der Weltproduktion aus. [49] Die Kaliproduktion in Kanada stieg 2017 und 2018 um 18,6 %. [50] Konservative Schätzungen gehen davon aus, dass 30 bis 50 % der Ernteerträge natürlichen oder synthetischen kommerziellen Düngemitteln zugeschrieben werden. [36] [51] Der Düngemittelverbrauch hat die Menge an Ackerland in den Vereinigten Staaten übertroffen [49] . Der Weltmarktwert wird bis 2019 voraussichtlich auf über 185 Mrd. US-Dollar steigen. [52] Der europäische Düngemittelmarkt wird auf einen Umsatz von ca. 15,3 Mrd. € im Jahr 2018. [53]

    Daten zum Düngemittelverbrauch pro Hektar Ackerland im Jahr 2012 werden von der Weltbank veröffentlicht. [54] Das folgende Diagramm zeigt den Düngemittelverbrauch der Länder der Europäischen Union (EU) in Kilogramm pro Hektar (Pfund pro Acre). Der Gesamtverbrauch an Düngemitteln in der EU beträgt 15,9 Millionen Tonnen für 105 Millionen Hektar Ackerfläche [55] (oder 107 Millionen Hektar Ackerland nach einer anderen Schätzung [56] ). Dies entspricht einem durchschnittlichen Verbrauch von 151 kg Düngemittel pro ha Ackerfläche der EU-Länder.

    Die Verwendung von Düngemitteln ist für die Nährstoffversorgung von Pflanzen von Vorteil, obwohl sie einige negative Auswirkungen auf die Umwelt haben. Der stark wachsende Verbrauch von Düngemitteln kann durch die Streuung der mineralischen Nutzung Boden, Oberflächenwasser und Grundwasser beeinträchtigen. [49]

    Für jede Tonne Phosphorsäure, die bei der Verarbeitung von Phosphatgestein entsteht, fallen fünf Tonnen Abfall an. Bei diesem Abfall handelt es sich um unreinen, nutzlosen, radioaktiven Feststoff namens Phosphogips. Schätzungen gehen von 100.000.000 bis 280.000.000 Tonnen Phosphogips-Abfall jährlich weltweit an. [57]

    Wasser Bearbeiten

    Phosphor- und Stickstoffdünger haben, wenn sie häufig verwendet werden, große Auswirkungen auf die Umwelt. Dies ist auf hohe Regenfälle zurückzuführen, die dazu führen, dass die Düngemittel in die Wasserwege gespült werden. [58] Der landwirtschaftliche Abfluss trägt wesentlich zur Eutrophierung von Süßwasserkörpern bei. In den USA beispielsweise ist etwa die Hälfte aller Seen eutroph. Hauptverursacher der Eutrophierung ist Phosphat, das normalerweise ein limitierender Nährstoff ist. Hohe Konzentrationen fördern das Wachstum von Cyanobakterien und Algen, deren Absterben Sauerstoff verbraucht. [59] Cyanobakterienblüten („Algenblüten“) können auch schädliche Giftstoffe produzieren, die sich in der Nahrungskette ansammeln und für den Menschen schädlich sein können. [60] [61]

    Die stickstoffreichen Verbindungen im Düngemittelabfluss sind die Hauptursache für ernsthaften Sauerstoffmangel in vielen Teilen der Ozeane, insbesondere in Küstengebieten, Seen und Flüssen. Der daraus resultierende Mangel an gelöstem Sauerstoff verringert stark die Fähigkeit dieser Gebiete, die ozeanische Fauna zu erhalten. [62] Die Zahl der ozeanischen Totzonen in der Nähe von bewohnten Küsten nimmt zu. [63] Seit 2006 wird die Ausbringung von Stickstoffdünger in Nordwesteuropa [64] und den Vereinigten Staaten zunehmend kontrolliert. [65] [66] Bei Eutrophierung kann rückgängig gemacht werden, kann es Jahrzehnte dauern [ Zitat benötigt ] bevor die im Grundwasser angesammelten Nitrate durch natürliche Prozesse abgebaut werden können.

    Nitratverschmutzung Bearbeiten

    Nur ein Bruchteil der stickstoffbasierten Düngemittel wird in Pflanzenmaterial umgewandelt. Der Rest reichert sich im Boden an oder geht als Abfluss verloren. [67] Hohe Aufwandmengen an stickstoffhaltigen Düngemitteln in Verbindung mit der hohen Wasserlöslichkeit von Nitrat führen zu einem erhöhten Abfluss in Oberflächengewässer sowie zu einer Auswaschung ins Grundwasser und damit zu einer Grundwasserverschmutzung. [68] [69] [70] Besonders schädlich ist der übermäßige Einsatz stickstoffhaltiger Düngemittel (sei es synthetisch oder natürlich), da ein Großteil des Stickstoffs, der von Pflanzen nicht aufgenommen wird, in leicht auswaschbares Nitrat umgewandelt wird. [71]

    Nitratkonzentrationen über 10 mg/l (10 ppm) im Grundwasser können ein „Blue-Baby-Syndrom“ (erworbene Methämoglobinämie) verursachen. [72] Die Nährstoffe, insbesondere Nitrate, in Düngemitteln können Probleme für die natürlichen Lebensräume und die menschliche Gesundheit verursachen, wenn sie aus dem Boden in Gewässer gespült oder durch den Boden ins Grundwasser ausgewaschen werden. [ Zitat benötigt ]

    Boden Bearbeiten

    Versauerung Bearbeiten

    Stickstoffhaltige Düngemittel können bei Zugabe zu einer Bodenversauerung führen. [73] [74] Dies kann zu einer Abnahme der Nährstoffverfügbarkeit führen, die durch Kalkung ausgeglichen werden kann.

    Ansammlung toxischer Elemente Bearbeiten

    Cadmium Bearbeiten

    Die Konzentration von Cadmium in phosphorhaltigen Düngemitteln variiert stark und kann problematisch sein. [75] Monoammoniumphosphatdünger kann beispielsweise einen Cadmiumgehalt von nur 0,14 mg/kg oder sogar 50,9 mg/kg aufweisen. [76] Das zu ihrer Herstellung verwendete Phosphatgestein kann bis zu 188 mg/kg Cadmium enthalten [77] (Beispiele sind Lagerstätten auf Nauru [78] und den Weihnachtsinseln [79] ). Die kontinuierliche Verwendung von Düngemitteln mit hohem Cadmiumgehalt kann Böden (wie in Neuseeland gezeigt) [80] und Pflanzen kontaminieren. [81] Grenzwerte des Cadmiumgehalts von Phosphatdüngemitteln wurden von der Europäischen Kommission in Erwägung gezogen. [82] [83] [84] Hersteller von phosphorhaltigen Düngemitteln wählen Phosphatgestein nun nach dem Cadmiumgehalt aus. [59]

    Fluorid Bearbeiten

    Phosphatgesteine ​​enthalten einen hohen Fluoridgehalt. Folglich hat die weit verbreitete Verwendung von Phosphatdüngern die Fluoridkonzentrationen im Boden erhöht. [81] Es wurde festgestellt, dass die Kontamination von Lebensmitteln durch Düngemittel von geringer Bedeutung ist, da Pflanzen wenig Fluorid aus dem Boden ansammeln. [85] [86] Bedenklich sind auch die Auswirkungen von Fluorid auf Bodenmikroorganismen. [85] [86] [87]

    Radioaktive Elemente Bearbeiten

    Der radioaktive Gehalt der Düngemittel variiert stark und hängt sowohl von deren Konzentrationen im Ausgangsmineral als auch vom Düngemittelherstellungsprozess ab. [81] [88] Uran-238-Konzentrationen können von 7 bis 100 pCi/g in Phosphatgestein [89] und von 1 bis 67 pCi/g in Phosphatdüngemitteln reichen. [90] [91] [92] Bei hohen jährlichen Einsatzmengen von Phosphordünger kann dies zu um ein Vielfaches höheren Uran-238-Konzentrationen in Böden und Drainagewässern führen als normalerweise vorhanden. [91] [93] Die Auswirkungen dieser Erhöhungen auf das Risiko für die menschliche Gesundheit durch Radinuklid-Kontaminationen von Lebensmitteln sind jedoch sehr gering (weniger als 0,05 mSv/a). [91] [94] [95]

    Andere Metalle Bearbeiten

    Abfälle der Stahlindustrie, die wegen ihres hohen Zinkgehalts (wesentlich für das Pflanzenwachstum) zu Düngemitteln recycelt werden, können die folgenden giftigen Metalle enthalten: Blei [96] Arsen, Cadmium [96] Chrom und Nickel. Die häufigsten giftigen Elemente in dieser Art von Dünger sind Quecksilber, Blei und Arsen. [97] [98] [99] Diese potenziell schädlichen Verunreinigungen können zwar entfernt werden, dies erhöht jedoch die Kosten erheblich. Hochreine Düngemittel sind weit verbreitet und vielleicht am besten bekannt als hoch wasserlösliche Düngemittel mit blauen Farbstoffen, die in Haushalten verwendet werden, wie Miracle-Gro. Diese stark wasserlöslichen Düngemittel werden in der Gärtnerei eingesetzt und sind in größeren Packungen zu deutlich günstigeren Preisen als im Einzelhandel erhältlich. Einige preiswerte körnige Gartendünger für den Einzelhandel werden mit hochreinen Inhaltsstoffen hergestellt.

    Erschöpfung von Spurenelementen Bearbeiten

    In den letzten 50–60 Jahren wurde auf die abnehmenden Konzentrationen von Elementen wie Eisen, Zink, Kupfer und Magnesium in vielen Lebensmitteln aufmerksam gemacht. [100] [101] Intensive landwirtschaftliche Praktiken, einschließlich der Verwendung von synthetischen Düngemitteln, werden häufig als Gründe für diese Rückgänge genannt, und der ökologische Landbau wird oft als Lösung vorgeschlagen. [101] Obwohl bekannt ist, dass verbesserte Ernteerträge durch NPK-Düngemittel die Konzentrationen anderer Nährstoffe in Pflanzen verdünnen, [100] [102] kann ein Großteil des gemessenen Rückgangs auf die Verwendung von immer ertragreicheren Pflanzensorten zurückgeführt werden, die Nahrungsmittel produzieren mit niedrigeren Mineralkonzentrationen als ihre weniger produktiven Vorfahren. [100] [103] [104] Es ist daher unwahrscheinlich, dass ökologischer Landbau oder reduzierter Düngereinsatz das Problem lösen wird, das Nahrungsmittel mit hoher Nährstoffdichte durch den Einsatz älterer, ertragsschwächerer Sorten oder die Entwicklung neuer High -ertragreiche, nährstoffreiche Sorten. [100] [105]

    Düngemittel lösen Probleme mit Spurenelementen eher, als sie zu verursachen: In Westaustralien wurde in den 1940er und 1950er Jahren festgestellt, dass Mangel an Zink, Kupfer, Mangan, Eisen und Molybdän das Wachstum von Ackerkulturen und Weiden begrenzt. . [106] Böden in Westaustralien sind sehr alt, stark verwittert und haben einen Mangel an vielen der wichtigsten Nährstoffe und Spurenelemente. [106] Diese Spurenelemente werden seither routinemäßig in diesem Bundesland landwirtschaftlich eingesetzten Düngemitteln zugesetzt. [106] Viele andere Böden auf der ganzen Welt weisen einen Zinkmangel auf, was zu einem Mangel sowohl bei Pflanzen als auch beim Menschen führt, und Zinkdünger werden häufig verwendet, um dieses Problem zu lösen. [107]

    Veränderungen in der Bodenbiologie Bearbeiten

    Hohe Düngemittelmengen können zum Zusammenbruch der symbiotischen Beziehungen zwischen Pflanzenwurzeln und Mykorrhizapilzen führen. [108]

    Energieverbrauch und Nachhaltigkeit Bearbeiten

    In den USA wurden im Jahr 2004 317 Milliarden Kubikfuß Erdgas bei der industriellen Produktion von Ammoniak verbraucht, was weniger als 1,5 % des gesamten US-amerikanischen Jahresverbrauchs an Erdgas entspricht.[109] Ein Bericht aus dem Jahr 2002 ergab, dass die Produktion von Ammoniak etwa 5 % des weltweiten Erdgasverbrauchs verbraucht, was etwas unter 2 % der weltweiten Energieerzeugung entspricht. [110]

    Ammoniak wird aus Erdgas und Luft hergestellt. [111] Die Kosten für Erdgas machen etwa 90 % der Kosten der Ammoniakproduktion aus. [112] Der Preisanstieg bei Erdgas in den letzten zehn Jahren hat zusammen mit anderen Faktoren wie der steigenden Nachfrage zu einem Anstieg der Düngemittelpreise beigetragen. [113]

    Beitrag zum Klimawandel Bearbeiten

    Bei der Herstellung von Stickstoffdünger entstehen die Treibhausgase Kohlendioxid, Methan und Lachgas. Die Effekte können zu einer äquivalenten Menge Kohlendioxid kombiniert werden. Die Menge variiert je nach Effizienz des Verfahrens. Die Zahl für das Vereinigte Königreich liegt bei über 2 Kilogramm Kohlendioxid-Äquivalent pro Kilogramm Ammoniumnitrat. [114] [ muss aktualisiert werden ] Stickstoffdünger kann von Bodenbakterien zu Lachgas, einem Treibhausgas, umgewandelt werden. [115] Die Lachgasemissionen des Menschen, die hauptsächlich aus Düngemitteln stammen, wurden zwischen 2007 und 2016 auf 7 Millionen Tonnen pro Jahr geschätzt, [116] was mit einer Begrenzung der globalen Erwärmung auf unter 2 °C nicht vereinbar ist. [117]

    Atmosphäre Bearbeiten

    Durch den zunehmenden Einsatz von Stickstoffdünger, der 2012 in einer Menge von ca. 110 Millionen Tonnen (N) pro Jahr eingesetzt wurde, [118]2O) ist nach Kohlendioxid und Methan zum drittwichtigsten Treibhausgas geworden. Es hat ein Treibhauspotenzial, das 296 mal größer ist als die gleiche Masse von Kohlendioxid, und es trägt auch zum stratosphärischen Ozonabbau bei. [120] Durch Veränderung von Prozessen und Verfahren ist es möglich, einige, aber nicht alle dieser Auswirkungen auf den anthropogenen Klimawandel zu mildern. [121]

    Methanemissionen aus Ackerfeldern (insbesondere Reisfeldern) werden durch die Anwendung von Düngemitteln auf Ammoniumbasis erhöht. Diese Emissionen tragen zum globalen Klimawandel bei, da Methan ein starkes Treibhausgas ist. [122] [123]

    Verordnung Bearbeiten

    In Europa werden Probleme mit hohen Nitratkonzentrationen im Abfluss durch die Nitratrichtlinie der Europäischen Union angegangen. [124] In Großbritannien werden Landwirte ermutigt, ihr Land in einer „einzugsgebietsempfindlichen Landwirtschaft“ nachhaltiger zu bewirtschaften. [125] In den USA werden hohe Nitrat- und Phosphorkonzentrationen in Abfluss- und Dränagewässern aufgrund ihres diffusen Ursprungs als nicht punktuelle Schadstoffe eingestuft. Diese Verschmutzung wird auf Bundesstaatsebene reguliert. [126] Oregon und Washington, beide in den Vereinigten Staaten, haben Düngemittelregistrierungsprogramme mit Online-Datenbanken, die chemische Analysen von Düngemitteln auflisten. [127] [128]

    In China wurden Vorschriften erlassen, um den Einsatz von N-Düngemitteln in der Landwirtschaft zu kontrollieren. Im Jahr 2008 begannen die chinesischen Regierungen, Düngemittelsubventionen, einschließlich Subventionen für den Transport von Düngemitteln sowie für den Strom- und Erdgasverbrauch in der Industrie, teilweise einzustellen. Infolgedessen sind die Düngemittelpreise gestiegen und Großbetriebe haben begonnen, weniger Dünger zu verwenden. Wenn Großbetriebe den Einsatz von Düngemittelsubventionen weiter reduzieren, bleibt ihnen nichts anderes übrig, als ihren Dünger zu optimieren und damit sowohl Getreideertrag als auch Gewinn zu steigern. [129]

    Zwei Arten von landwirtschaftlichen Managementpraktiken sind der ökologische Landbau und der konventionelle Landbau. Ersteres fördert die Bodenfruchtbarkeit unter Nutzung lokaler Ressourcen, um die Effizienz zu maximieren. Ökologischer Landbau vermeidet synthetische Agrochemikalien. Die konventionelle Landwirtschaft verwendet alle Komponenten, die der ökologische Landbau nicht verwendet. [130]


    Abstrakt

    Die Verfügbarkeit von Stickstoff (N) und Phosphor (P) beeinflusst stark den Kohlenstoffkreislauf (C) und die Speicherung in terrestrischen Ökosystemen. Die Zugabe von Nährstoffen kann den C-Eintrag in den Boden durch eine gesteigerte ober- und unterirdische Pflanzenproduktivität erhöhen, aber gleichzeitig den Abbau organischer Substanz im Boden beschleunigen. Die Mechanismen, die diesen Auswirkungen auf die Dynamik von organischem C (SOC) im Boden zugrunde liegen, bleiben unklar, insbesondere in nährstoffbegrenzten alpinen Ökosystemen, die in den letzten Jahrzehnten einer zunehmenden Verfügbarkeit von N und P ausgesetzt waren. Das Ziel dieser Studie war es, die Mechanismen des SOC-Abbaus und der Stabilisierung in einem alpinen Grünlandboden nach vier Jahren N- und P-Zugabe aufzuklären. Die Größenverteilung der Bodenaggregate, die mikrobielle Gemeinschaftsstruktur (Lipid-Biomarker), die mikrobielle C-Nutzungseffizienz (CUE) und die mikrobielle Nekromassezusammensetzung (Aminozucker-Biomarker) wurden analysiert. Die Zugabe von Nährstoffen erhöhte die Dominanz schnell wachsender Bakterien (Kopiotrophe), während die alleinige Zugabe von P die kompetitiven Interaktionen zwischen arbuskulären Mykorrhiza und saprotrophen Pilzen verstärkte. Diese Veränderungen führten zu einer Abnahme des mikrobiellen CUE von Glukose um 1,6–3,5 % und von Vanillin um 8,5 % und damit zu einem verringerten SOC-Gehalt im Oberboden. Die gesamte mikrobielle Nekromasse blieb durch die Nährstoffzugabe unbeeinflusst, aber der Beitrag der Pilznekromasse zum SOC nahm zu. Die erhöhte Abundanz von arbuskulären Mykorrhizapilzen und Pilznekromasen bei erhöhter N-Verfügbarkeit erhöhte den Massenanteil an Bodenmakroaggregaten (>250 μm) um 16,5–20,3%. Daher waren Pilze nach N-Zugabe stark an der Makroaggregation beteiligt und konnten so die SOC-Verluste durch verbesserten physikalischen Schutz moderieren. Insgesamt wurden die komplexen Wechselwirkungen zwischen der mikrobiellen Physiologie (CUE), der Zusammensetzung der Nekromasse (Aminozucker) und dem physikalischen Schutz (Makroaggregation) bei der Vermittlung der SOC-Dynamik als Reaktion auf die Nährstoffanreicherung entwirrt, um die Fähigkeit alpiner Grünlandböden als C-Senke besser vorhersagen zu können oder Quelle im globalen Wandel.


    Zotten im Dünndarm

    Um Nährstoffe aufzunehmen und die Nahrung vollständig aufzuspalten.

    Erläuterung:

    Zotten im Dünndarm nehmen Nährstoffe auf und vervollständigen den Abbau der Nahrung. Zu den Faktoren seiner Struktur, die ihm beim Funktionieren helfen, gehören:

    • Große Oberfläche (bietet mehr Oberfläche für den Austausch)
    • Dünnwandig (verringert den Weg, den die Materialien bewegen müssen)
    • Feucht (unterstützt den Materialtransport über die Austauschfläche)

    Der Prozess, bei dem die Nährstoffe in die Zotten gelangen, ist Diffusion.

    Quelle, TommyIX, 2013

    Das obige Bild ist ein Diagramm dessen, was sich in der Zotte befindet. Es erklärt, welche Art von Nährstoffen von der Blutkapillare Glukose, Aminosäuren (und auch Nukleotiden) und von der Milch (Fettsäuren und Glycerin) aufgenommen werden.

    Antworten:

    Sie spüren das Vorhandensein von Nahrung, vervollständigen den Verdauungsprozess und nehmen die verdaute Nahrung auf. Sie ziehen sich zusammen, um die unverdaute Nahrung in den Dickdarm zu schieben.

    Erläuterung:


    Der Kohlenstoffkreislauf

    Alles Leben basiert auf Kohlenstoff, der in Proteinen enthalten ist, Kohlenhydrate Tatsächlich enthalten alle organischen Moleküle Kohlenstoff. Es ist also der wichtigste Nährstoff in einem Ökosystem. Der Kohlenstoffkreislauf umfasst mehrere Stufen der Kohlenstoffbildung Fest (inkorporiert als Teil von) von Pflanzen aus der Atmosphäre. Dieser Kohlenstoff wird durch das Essen auf die Verbraucher übertragen oder wird zu fossilen Brennstoffen in Versteinerung.

    Unten ist ein Beispiel für einen Kohlenstoffkreislauf. Diese Zyklen können auf verschiedene Weise dargestellt werden, und dies ist nur ein Beispiel.


    Obwohl viel über den Anstieg des Kohlendioxids in der Atmosphäre gesagt wird, sind nur 0,04% der Luft CO2, tatsächlich befindet sich das meiste als Hydrogencarbonat (HCO .) im Ozean3-), und hier findet die meiste Photosynthese statt. Das heißt nicht, dass das Aufsteigen von Kohlendioxid in der Atmosphäre kein sehr wichtiges globales Problem ist, sondern nur einen kleinen Teil unserer Atmosphäre ausmacht.

    Es gibt zwei Schritte, die mehr als einmal erwähnt werden:


    4.2.2.1 Menschliches Verdauungssystem (in Kürze verfügbar)

    Der allgemeine Querschnitt des Darms oben ist im Wesentlichen der gleiche von der Speiseröhre bis zum Ende des Dickdarms. Allerdings variiert die Faltung der Schleimhaut von Region zu Region (z. B. weniger in der Speiseröhre, viel mehr im Ileum) und die Drüsen variieren (z. B. Speicheldrüsen im Mund, Leber und Bauchspeicheldrüse sind über Kanäle mit dem Zwölffingerdarm verbunden).

    Gewebeschichten der Darmwand

    Die Submukosa enthält Nerven, Blut- und Lymphgefäße, Kollagen und elastische Fasern.

    Die Nerven regulieren:

    • Die Darmbewegungen durch Muskelkontraktionen, um die Nahrung entlang zu zwingen oder die Nahrung mit Sekreten in einer bestimmten Region zu vermischen.
    • Die Verdauungssekrete in das Lumen des Darms.

    Die beiden Muskelschichten erzeugen die Kontraktionswellen der Darmwand, die als . bekannt sind Peristaltik. Während der Peristaltik zieht sich der Ringmuskel hinter der Nahrung zusammen und der Längsmuskel vor der Nahrung. Der verengte Darm hinten und der verkürzte Darm vorne zwingt die Nahrung mit.

    Mund und Speichel

    Schon bevor das Essen in den Mund gelangt, stimuliert das Sehen, Riechen und Denken des Essens einen bedingter Reflex das führt zur Freisetzung von Speichel in den Mund.

    Wenn Nahrung in den Mund gelangt, führt die Stimulation der Geschmacksknospen zu einem bedingungsloser Reflex Dabei werden Impulse über sensorische Neuronen an das Gehirn und dann über Motoneuronen an die Speicheldrüsen weitergeleitet. Wieder Speichel freisetzen.

    1 - 1,5 Liter Speichel werden täglich freigesetzt.

    Die Speichel enthält Schleim, die das Essen schmiert, Mineralsalze Enzyme zu aktivieren, Lysozym die Bakterien abtötet, die mit der Nahrung eindringen, und Amylase, ein Enzym, das Stärke in kürzere Polysaccharide und dann in Maltose spaltet.

    Durch das Kauen wird die Nahrung mechanisch aufgebrochen, sodass eine größere Oberfläche entsteht, auf der die Amylase wirken kann. Die Futter-Speichel-Mischung wird in eine Kugel namens a . gedrückt Bolus und geschluckt.

    Speiseröhre

    Die Speiseröhre ist ein muskulöser Schlauch mit einer Plattenepithelauskleidung und Schleimdrüsen, um den Durchgang zum Magen hinunter zu schmieren.

    Peristaltik bewegt die Nahrung nach unten, und wenn die Nahrung den unteren Teil der Röhre erreicht, entspannt sich der kreisförmige Muskel, der den Schließmuskel (ein Muskelring, der den Durchgang von Nahrung zwischen aufeinanderfolgenden Abschnitten des Darms steuert) bildet und öffnet sich.

    Ohne Nahrung bleibt der Schließmuskel geschlossen, damit keine Säure in die Speiseröhre eindringen und diese verbrennen kann.

    Magen

    Sobald die Nahrung in den Magen gelangt, zieht sich die Muskelwand zusammen und entspannt sich, um die Nahrung umzurühren und zu mischen. Um dies wirklich effizient zu machen, hat die Magenschleimhaut eine zusätzliche Schicht schrägen (diagonalen) Muskels auf der Lumenseite des kreisförmigen Muskels.

    Die Schleimhaut enthält schleimabsondernde Becherzellen in der Zylinderepithelschicht. Dieser Schleim bildet eine Barriere und verhindert die Selbstverdauung (Verdauung von körpereigenem Gewebe durch seine eigenen Enzyme).

    In der Magenwand sind Gruben (Magendrüsen) entsteht durch Einfaltungen des Epithels. Einige Zellen, die die Gruben auskleiden, heißen Hauptzellen. Diese setzen ein inaktives Enzym namens . frei Pepsinogen.

    Andere Zellen namens Belegzellen (oder oxyntische Zellen) freisetzen HCl (Salzsäure).

    Die Säure hat mehrere positive Wirkungen:

    1. Es schafft die richtiger pH-Wert damit die Enzyme effizient arbeiten.
    2. Es tötet Bakterien ab, die dem Lysozym im Mund entkommen sind.
    3. Es entfernt einen Teil des Pepsinogen-Proteins, sodass es aktiv wird Pepsin.

    Es ist wichtig, das Pepsin-Enzym zu haben, da es die Verdauung von Proteinen in kürzere Polypeptide beginnt.

    Das Pepsinogen und die Säure werden zusammen als bezeichnet Magensäure. Sie werden freigesetzt, weil das Vorhandensein von Nahrung im Mund, der Geruch der Nahrung usw. Impulse an das Gehirn auslöst, das dann Impulse an die Magendrüsen im Magen sendet, um diese Substanzen freizusetzen.

    Die körperliche Dehnung des Magens bei Nahrungsaufnahme stimuliert die Drüsen selbst zur Ausschüttung eines Hormons Gastrin. Das Hormon wird ins Blut freigesetzt und seine Zielzellen sind die der Magendrüsen, so dass auch dies die Freisetzung des Magensaftes bewirkt.

    Gastrin regt auch den Pylorussphinkter (zwischen Magen und erstem Teil des Dünndarms) zur Entspannung an. Saure, aufgewühlte, teilweise verdaute Nahrung, bekannt als Speisebrei wird langsam in den Zwölffingerdarm abgegeben.

    Zwölffingerdarm

    Die meiste chemische Verdauung durch Enzyme findet in der Zwölffingerdarm.

    Die Schleimhaut ist gefaltet und die Millionen von mikroskopischen Vorsprüngen, die durch diese Faltung der inneren Oberfläche der Wand entstehen, werden Zotten genannt. Zwischen den Zotten befinden sich Darmdrüsen (oder Leiberkuhn-Krypten), die Darmsaft absondern.

    Der Besitz der Zotten und der Falten in den Zelloberflächenmembranen der die Zotten auskleidenden Epithelzellen (Mikrovilli) vergrößert die Oberfläche massiv.

    Die Epithelzellen produzieren verschiedene Enzyme, die nicht in das Lumen abgegeben werden, sondern an die Zelloberfläche der Mikrovilli (wegen ihres Aussehens auch Bürstensaum genannt) gebunden werden.

    Andere Enzyme, die sich frei im Lumen des Zwölffingerdarms befinden, wurden von der Bauchspeicheldrüse produziert und freigesetzt. Neben diesen Enzymen wird Natriumbicarbonatlösung in den Zwölffingerdarm ausgeschieden, um den optimalen pH-Wert für die Enzyme in dieser Darmregion bereitzustellen.

    Die Leber sondert auch eine Substanz namens Galle in den Zwölffingerdarm ab. (Galle kann vor der Freisetzung in der Gallenblase gespeichert werden). Galle besteht aus Gallensalzen, die Fette emulgieren. Die großen Fettkügelchen werden mechanisch in viele kleinere Kügelchen dispergiert. Dies erhöht die Oberfläche, über die Lipasen wirken können.

    Die Freisetzung dieser Stoffe wird wie im Magen kontrolliert:


    4.2 Epithelgewebe

    Epithelgewebe erscheint hauptsächlich als große Zellschichten, die alle Oberflächen des Körpers bedecken, die der äußeren Umgebung ausgesetzt sind und innere Körperhöhlen auskleiden. Darüber hinaus ist Epithelgewebe für die Bildung eines Großteils des im menschlichen Körper vorkommenden Drüsengewebes verantwortlich.

    Epithelgewebe stammt aus allen drei großen embryonalen Schichten. Das Epithelgewebe, aus dem die Hautmembranen bestehen, entwickelt sich aus dem Ektoderm. Das Epithelgewebe, aus dem ein Großteil der Schleimhäute besteht, stammt aus dem Endoderm. Epithelgewebe, das Gefäße und offene Räume im Körper auskleidet, wird vom Mesoderm abgeleitet. Besonders erwähnenswert ist, dass Epithelgewebe, das die Gefäße im Lymph- und Herz-Kreislauf-System auskleidet, als Endothel bezeichnet wird, während Epithelgewebe, das die serösen Membranen bildet, die die wahren Hohlräume auskleiden, als Mesothel bezeichnet wird.

    Unabhängig von seiner Lage und Funktion teilen alle Epithelgewebe wichtige strukturelle Merkmale. Erstens ist Epithelgewebe hochzellulär, wobei wenig oder kein extrazelluläres Material zwischen den Zellen vorhanden ist. Zweitens bilden benachbarte Zellen spezialisierte interzelluläre Verbindungen, die als bezeichnet werden Zellverbindungen. Drittens zeigen Epithelzellen Polarität mit Unterschieden in Struktur und Funktion zwischen den exponierten, oder apikal, zugewandte Zelloberfläche und die basal Oberfläche, die dem darunter liegenden Gewebe am nächsten ist. Viertens sind Epithelgewebe avaskuläre Nährstoffe, die durch Diffusion oder Absorption von darunter liegenden Geweben oder der Oberfläche in das Gewebe eindringen müssen. Schließlich ist Epithelgewebe in der Lage, beschädigte und tote Zellen schnell zu ersetzen, was in Bezug auf die raue Umgebung, der dieses Gewebe ausgesetzt ist, notwendig ist.

    Epitheliale Gewebefunktion:

    Epithelgewebe bieten dem Körper den ersten Schutz vor physikalischen, chemischen und biologischen Schäden. Die Zellen eines Epithels fungieren als Torwächter des Körpers und kontrollieren die Durchlässigkeit, indem sie einen selektiven Materialtransfer über seine Oberfläche ermöglichen. Alle Substanzen, die in den Körper gelangen, müssen ein Epithel durchqueren.

    Viele Epithelzellen sind in der Lage, Schleim und andere spezifische chemische Verbindungen auf ihre apikalen Oberflächen abzusondern. Zum Beispiel setzt das Epithel des Dünndarms Verdauungsenzyme frei und Zellen, die die Atemwege auskleiden, sezernieren Schleim, der ankommende Mikroorganismen und Partikel einfängt.

    Die Epithelzelle

    Epithelzellen sind typischerweise durch eine ungleiche Verteilung von Organellen und membrangebundenen Proteinen zwischen ihren apikalen und basalen Oberflächen gekennzeichnet. Strukturen, die auf einigen Epithelzellen gefunden werden, sind eine Anpassung an bestimmte Funktionen. Zilien sind beispielsweise Erweiterungen der apikalen Zellmembran, die von Mikrotubuli getragen werden. Diese Verlängerungen schlagen im Gleichtakt und ermöglichen die Bewegung von Flüssigkeiten und Partikeln entlang der Oberfläche. Solche Flimmerepithelien kleiden die Ventrikel des Gehirns aus, wo sie die Zerebrospinalflüssigkeit zirkulieren und das Atmungssystem auskleiden, wo sie dabei helfen, Staubpartikel und Krankheitserreger nach oben und aus den Atemwegen zu entfernen.

    Epithelzellen in engem Kontakt mit dem darunter liegenden Bindegewebe sezernieren Glykoproteine ​​und Kollagen von ihrer basalen Oberfläche, die die Basallamina. Die Basallamina interagiert mit der retikulären Lamina, die vom darunter liegenden Bindegewebe sezerniert wird, und bildet ein Basalmembran das hilft, die Schichten zusammen zu verankern.

    Abbildung 4.2.1 – Typen von Zellverbindungen: Die drei Grundtypen von Zell-zu-Zell-Verbindungen sind Tight Junctions, Gap Junctions und Anchoring Junctions.

    Epithelzellen sind eng mit begrenzt vorhandenem extrazellulärem Material verbunden. Drei Grundtypen von Verbindungen können vorhanden sein: Tight Junctions, Anker Junctions und Gap Junctions (Abbildung 4.2.1).

    Arten von Zellverbindungen

    Epithelzellen werden durch Zellverbindungen eng zusammengehalten. Die drei Grundtypen von Zell-zu-Zell-Verbindungen sind Tight Junctions, Gap Junctions und Anchoring Junctions.

    EIN Enge Kreuzung schränkt die Bewegung von Flüssigkeiten zwischen benachbarten Zellen aufgrund der Anwesenheit integraler Proteine ​​ein, die miteinander verschmelzen, um eine feste Abdichtung zu bilden. Im Epithel der Harnblase werden Tight Junctions beobachtet, die das Entweichen von Flüssigkeiten, die den Urin enthalten, verhindern.

    Ein Verankerungspunkt bietet eine starke und dennoch flexible Verbindung zwischen Epithelzellen. Es gibt drei Arten von Verankerungsverbindungen: Desmosomen, Hemidesmosomen und Adhären. Desmosomen halten benachbarte Zellen über Cadherinmoleküle zusammen, die in Proteinplatten in den Zellmembranen eingebettet sind und die benachbarten Zellen miteinander verbinden. Hemidesmosomen, die wie ein halbes Desmosom aussehen, verbinden Zellen mit Komponenten der extrazellulären Matrix, wie der Basallamina. Obwohl sie den Desmosomen im Aussehen ähnlich sind, verwenden Hemidesmosomen Adhäsionsproteine, die Integrine genannt werden, anstatt Cadherine. Haftet Verwenden Sie entweder Cadherine oder Integrine, je nachdem, ob sie mit anderen Zellen oder Matrix verbunden sind. Diese Verbindungen sind durch das Vorhandensein des kontraktilen Proteins Aktin gekennzeichnet, das sich auf der zytoplasmatischen Oberfläche der Zellmembran befindet. Diese Verbindungen beeinflussen die Form und Faltung des Epithelgewebes.

    Im Gegensatz zu den dichten und verankernden Verbindungen, a Kontaktstelle bildet einen interzellulären Durchgang zwischen den Membranen benachbarter Zellen, um die Bewegung kleiner Moleküle und Ionen zwischen Zellen zu erleichtern. Diese Verbindungen ermöglichen somit eine elektrische und metabolische Kopplung benachbarter Zellen.

    Klassifizierung von Epithelgeweben

    Epithelgewebe werden nach der Form der Zellen, aus denen das Gewebe besteht, und nach der Anzahl der im Gewebe vorhandenen Zellschichten klassifiziert. (Abbildung 4.2.2) Zellformen werden entweder in Plattenepithel (abgeflacht und dünn), quaderförmig so breit wie hoch) oder säulenförmig (rechteckig, höher als breit). In ähnlicher Weise können Zellen im Gewebe in einer einzigen Schicht angeordnet sein, die als einfaches Epithel bezeichnet wird, oder in mehr als einer Schicht, die als geschichtetes Epithel bezeichnet wird. Pseudostratifiziert (pseudo- = „falsch“) bezeichnet ein Epithelgewebe mit einer einzigen Schicht unregelmäßig geformter Zellen, die den Anschein von mehr als einer Schicht erwecken. Transitional beschreibt eine Form von spezialisiertem geschichtetem Epithel, bei dem die Form der Zellen und die Anzahl der vorhandenen Schichten je nach Dehnungsgrad innerhalb eines Gewebes variieren können.

    Abbildung 4.2.2 – Zellen des Epithelgewebes: Einfaches Epithelgewebe ist als einzelne Zellschicht organisiert und geschichtetes Epithelgewebe wird aus mehreren Zellschichten gebildet.

    Epithelgewebe wird nach der Form der vorhandenen Zellen und der Anzahl der vorhandenen Zellschichten klassifiziert. Abbildung 4.2.2 fasst die verschiedenen Kategorien von Epithelzellgewebezellen zusammen.

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    Zusammenfassung der epithelialen Gewebezellen

    Sehen Sie sich dieses Video an, um mehr über die Anatomie von Epithelgeweben zu erfahren. Wo im Körper findet man nicht-keratinisierendes geschichtetes Plattenepithel?

    Einfaches Epithel

    Die Zellen in a einfaches Plattenepithel haben das Aussehen von dünnen Schuppen. Die Kerne von Plattenepithelzellen neigen dazu, flach, horizontal und elliptisch zu erscheinen, was die Form der Zelle widerspiegelt. Einfaches Plattenepithel ist aufgrund der Dünnheit der Zellen dort vorhanden, wo ein schneller Durchgang chemischer Verbindungen erforderlich ist, wie zum Beispiel an der Auskleidung von Kapillaren und den kleinen Lungenbläschen. Dieser Epitheltyp wird auch gefunden, der das Mesothel bildet, das seröse Flüssigkeit absondert, um die inneren Körperhöhlen zu schmieren.

    In einfaches quaderförmiges Epithel, der Kern der kastenförmigen Zellen erscheint rund und befindet sich im Allgemeinen in der Nähe der Zellmitte. Diese Epithelien sind an der Sekretion und Absorption von Molekülen beteiligt, die einen aktiven Transport benötigen. Einfache quaderförmige Epithelien werden in der Auskleidung der Nierenkanälchen und in den Drüsengängen beobachtet.

    In einfaches Zylinderepithel, neigt der Kern der hohen säulenartigen Zellen dazu, verlängert zu werden und befindet sich im basalen Ende der Zellen. Wie das quaderförmige Epithel ist dieses Epithel bei der Aufnahme und Sekretion von Molekülen durch aktiven Transport aktiv. Einfaches Zylinderepithel bildet einen Großteil des Verdauungstraktes und einige Teile des weiblichen Fortpflanzungstraktes. Das säulenförmige Flimmerepithel besteht aus einfachen säulenförmigen Epithelzellen mit Zilien auf ihren apikalen Oberflächen. Diese Epithelzellen befinden sich in der Auskleidung der Eileiter, wo sie die Passage des Eies unterstützen, und in Teilen des Atmungssystems, wo das Schlagen der Zilien hilft, Partikel zu entfernen.

    Pseudostratifiziertes Zylinderepithel ist eine Art von Epithel, das geschichtet zu sein scheint, aber stattdessen aus einer einzigen Schicht von unregelmäßig geformten und unterschiedlich großen säulenförmigen Zellen besteht. In pseudostratifiziertem Epithel erscheinen die Kerne benachbarter Zellen auf unterschiedlichen Ebenen und nicht am basalen Ende gehäuft. Die Anordnung erweckt den Anschein einer Schichtung, aber tatsächlich haben alle Zellen Kontakt mit der Basallamina, obwohl einige die apikale Oberfläche nicht erreichen. Pseudostratifiziertes Zylinderepithel findet sich in den Atemwegen, wo einige dieser Zellen Zilien aufweisen.

    Sowohl einfache als auch pseudostratifizierte Zylinderepithelien sind heterogene Epithelien, da sie zusätzliche Zelltypen enthalten, die zwischen den Epithelzellen verstreut sind. Zum Beispiel a Becherzelle ist eine schleimsekretierende einzellige Drüse, die zwischen den zylinderförmigen Epithelzellen einer Schleimhaut liegt (Abb. 4.2.3).

    Abbildung – 4.2.3 Becherzelle: (a) In der Auskleidung des Dünndarms sind Zylinderepithelzellen mit Becherzellen durchsetzt. (b) Die Pfeile in dieser mikroskopischen Aufnahme zeigen auf die schleimsekretierenden Becherzellen (LM × 1600). (Mikrographie zur Verfügung gestellt von der Regents of University of Michigan Medical School © 2012)

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    Geschichtetes Epithel

    Ein geschichtetes Epithel besteht aus mehreren gestapelten Zellschichten. Dieses Epithel schützt vor physikalischen und chemischen Schäden. Das geschichtete Epithel wird nach der Form der apikalsten Zellschicht benannt, die dem freien Raum am nächsten liegt.

    Mehrschichtiges Plattenepithel ist die häufigste Art von geschichtetem Epithel im menschlichen Körper. Die apikalen Zellen erscheinen schuppenförmig, während die Basalschicht entweder säulenförmige oder quaderförmige Zellen enthält. Die obere Schicht kann mit keratinhaltigen toten Zellen bedeckt sein. Die Haut ist ein Beispiel für ein keratinisiertes, geschichtetes Plattenepithel. Alternativ ist die Auskleidung der Mundhöhle ein Beispiel für ein nicht keratinisiertes, geschichtetes Plattenepithel. Stratifiziertes quaderförmiges Epithel und geschichtetes Zylinderepithel können auch in bestimmten Drüsen und Kanälen gefunden werden, sind aber im menschlichen Körper relativ selten.

    Eine andere Art von geschichtetem Epithel ist Übergangsepithel, so genannt wegen der allmählichen Veränderungen in Form und Schichtung der Zellen, wenn das Epithel, das das sich ausdehnende Hohlorgan auskleidet, gedehnt wird. Übergangsepithel findet sich nur im Harnsystem, insbesondere in den Harnleitern und der Harnblase. Wenn die Blase leer ist, ist dieses Epithel gewunden und hat quaderförmige apikale Zellen mit konvexen, schirmförmigen Oberflächen. Wenn sich die Blase mit Urin füllt, verliert dieses Epithel seine Windungen und die apikalen Zellen ändern ihr Aussehen von quaderförmig zu Plattenepithelzellen. Bei leerer Blase erscheint sie dicker und vielschichtiger, bei voller und aufgeblähter Blase gestreckter und weniger geschichtet.

    Drüsenepithel

    Eine Drüse ist eine Struktur, die aus einer oder mehreren Zellen besteht, die so modifiziert sind, dass sie chemische Substanzen synthetisieren und absondern. Die meisten Drüsen bestehen aus Gruppen von Epithelzellen. Eine Drüse kann als ein klassifiziert werden endokrine Drüse, eine duktlose Drüse, die Sekrete direkt in umliegendes Gewebe und Flüssigkeiten abgibt (endo- = „innen“), oder an exokrine Drüse deren Sekrete durch einen nach außen mündenden Kanal (exo- = „außen“) austreten.

    Endokrine Drüsen

    Die Sekrete der endokrinen Drüsen werden Hormone genannt. Hormone werden in die interstitielle Flüssigkeit freigesetzt, diffundieren in den Blutkreislauf und werden an Zellen abgegeben, die Rezeptoren haben, um die Hormone zu binden. Das endokrine System ist ein wichtiges Kommunikationssystem, das die Regulierung und Integration von Körperreaktionen koordiniert. Auf diese Drüsen wird in einem späteren Kapitel noch viel ausführlicher eingegangen.

    Exokrine Drüsen

    Exokrine Drüsen geben ihren Inhalt durch einen Gang oder ein Gangsystem ab, das letztendlich in die äußere Umgebung führt. Schleim, Schweiß, Speichel und Muttermilch sind Beispiele für Sekrete, die von exokrinen Drüsen freigesetzt werden.

    Drüsenstruktur

    Exokrine Drüsen werden entweder als einzellig oder mehrzellig klassifiziert. Einzellige Drüsen sind einzelne Zellen, die über eine Epithelauskleidung verstreut sind. Becherzellen sind ein Beispiel für einen einzelligen Drüsentyp, der ausgiebig in den Schleimhäuten des Dünn- und Dickdarms vorkommt.

    Mehrzellige exokrine Drüsen bestehen aus zwei oder mehr Zellen, die ihren Inhalt entweder direkt in eine innere Körperhöhle (z. B. seröse Drüsen) absondern oder ihren Inhalt in einen Gang abgeben. Wenn es einen einzigen Kanal gibt, der den Inhalt in die äußere Umgebung transportiert, wird die Drüse als einfache Drüse bezeichnet. Mehrzellige Drüsen, deren Gänge in einen oder mehrere Zweige unterteilt sind, werden als zusammengesetzte Drüsen bezeichnet (Abb. 4.2.4). Neben der Anzahl der vorhandenen Gänge werden mehrzellige Drüsen auch nach der Form des sekretorischen Teils der Drüse klassifiziert. Röhrenförmige Drüsen haben verlängerte sekretorische Regionen (ähnlich einem Reagenzglas), während alveoläre (azinäre) Drüsen eine sekretorische Region haben, die kugelförmig ist. Kombinationen der beiden sekretorischen Regionen werden als tubuloalveoläre (tubuloazinäre) Drüsen bezeichnet.

    Abbildung 4.2.4 – Arten von exokrinen Drüsen: Exokrine Drüsen werden nach ihrer Struktur klassifiziert.

    Exokrine Drüsen werden nach der Anordnung der Kanäle, die die Drüse entleeren, und der Form der sekretorischen Region klassifiziert.

    Methoden und Arten der Sekretion
    Neben der Drüsenstruktur lassen sich exokrine Drüsen nach ihrer Sekretionsart und der Art der freigesetzten Stoffe klassifizieren (Abb. 4.2.5). Merokrine Sekretion ist die häufigste Form der exokrinen Sekretion. Die Sekrete sind in Vesikel eingeschlossen, die sich zur apikalen Oberfläche der Zelle bewegen, wo der Inhalt durch Exozytose freigesetzt wird. Speichel, der das Glykoprotein Mucin enthält, ist beispielsweise eine merokrine Sekretion. Die Drüsen, die Schweiß produzieren und absondern, sind ein weiteres Beispiel für die Merokrinesekretion.

    Abbildung 4.2.5 – Modi der Drüsensekretion: (a) Bei der Merokrinsekretion bleibt die Zelle intakt. (b) Bei der apokrinen Sekretion wird auch der apikale Teil der Zelle freigesetzt. (c) Bei der holokrinen Sekretion wird die Zelle zerstört, wenn sie ihr Produkt freisetzt und die Zelle selbst wird Teil der Sekretion.

    apokrine Sekretion tritt auf, wenn sich Sekrete in der Nähe des apikalen Teils einer sekretorischen Zelle ansammeln. Dieser Teil der Zelle und sein sekretorischer Inhalt werden von der Zelle abgeklemmt und freigesetzt. Die Schweißdrüsen der Achselhöhle werden als apokrine Drüsen klassifiziert. Wie merokrine Drüsen produzieren und sezernieren apokrine Drüsen weiterhin ihren Inhalt, ohne dass die Zelle geschädigt wird, da die Kern- und Golgi-Regionen nach dem sekretorischen Ereignis intakt bleiben.

    Im Gegensatz dazu ist der Prozess der holokrine Sekretion beinhaltet den Bruch und die Zerstörung der gesamten Drüsenzelle. Die Zelle akkumuliert ihre Sekretionsprodukte und gibt sie erst ab, wenn die Zelle platzt. Neue Drüsenzellen differenzieren sich von Zellen im umgebenden Gewebe, um die durch Sekretion verlorenen zu ersetzen. Ein Beispiel für eine holokrine Drüse sind die Talgdrüsen, die die Öle auf Haut und Haaren produzieren (Abbildung 4.2.6).

    Abbildung 4.2.6 – Talgdrüsen: Diese Drüsen sezernieren Öle, die die Haut schmieren und schützen. Sie sind holokrine Drüsen und werden zerstört, nachdem ihr Inhalt freigesetzt wurde. Es bilden sich neue Drüsenzellen, um die verlorenen Zellen zu ersetzen (LM × 400). (Mikrographie zur Verfügung gestellt von der Regents of University of Michigan Medical School © 2012)

    Drüsen werden auch nach den Produkten benannt, die sie produzieren. EIN seröse Drüse produziert wässrige, blutplasmaähnliche Sekrete, die reich an Enzymen sind, während a Schleimdrüse setzt ein viskoseres Produkt frei, das reich an dem Glykoprotein Mucin ist. Sowohl seröse als auch schleimige Sekrete sind in den Speicheldrüsen des Verdauungssystems üblich. Solche Drüsen, die sowohl seröse als auch schleimige Sekrete freisetzen, werden oft als seromuköse Drüsen bezeichnet.

    Kapitelrückblick

    In Epithelgewebe sind die Zellen dicht gepackt mit wenig oder keiner extrazellulären Matrix, mit Ausnahme der Basallamina, die das Epithel vom darunter liegenden Gewebe trennt. Die Hauptfunktionen von Epithelien sind Schutz vor Umwelteinflüssen, Abdeckung, Sekretion und Ausscheidung, Absorption und Filtration. Zellen sind durch Tight Junctions miteinander verbunden, die eine undurchlässige Barriere bilden. Sie können auch durch Gap Junctions verbunden werden, die den freien Austausch von löslichen Molekülen zwischen Zellen ermöglichen, und durch Ankerkontakte, die Zelle an Zelle oder Zelle an Matrix binden. Die verschiedenen Arten von Epithelgeweben sind durch ihre zelluläre Form und Anordnung gekennzeichnet: Plattenepithel, quaderförmige oder säulenförmige Epithelien. Einzelne Zellschichten bilden einfache Epithelien, während gestapelte Zellen geschichtete Epithelien bilden. Nur sehr wenige Kapillaren durchdringen diese Gewebe.

    Drüsen sind sekretorische Gewebe und Organe, die aus Epithelgeweben stammen. Exokrine Drüsen geben ihre Produkte durch Kanäle ab. Endokrine Drüsen sezernieren Hormone direkt in die interstitielle Flüssigkeit und den Blutkreislauf. Drüsen werden sowohl nach der Art der Sekretion als auch nach ihrer Struktur klassifiziert. Merokrine Drüsen sezernieren Produkte, während sie synthetisiert werden. Apokrine Drüsen setzen Sekrete frei, indem sie den apikalen Teil der Zelle abschneiden, während holokrine Drüsenzellen ihre Sekrete speichern, bis sie aufplatzen und ihren Inhalt freisetzen. In diesem Fall wird die Zelle Teil des Sekrets.

    Fragen zu interaktiven Links

    Sehen Sie sich dieses Video an, um mehr über die Anatomie von Epithelgeweben zu erfahren. Wo im Körper findet man nicht-keratinisierendes geschichtetes Plattenepithel?


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