DE4414883C2

DE4414883C2 - Verfahren zur Bestimmung der Vitalität oder der Schädigung oder der Umweltbeeinflussung von pflanzlichem Material

Info

Publication number: DE4414883C2
Application number: DE19944414883
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr Taplick; Hans-Peter Lommatzsch
Original assignee: LOMMATZSCH HANS PETER; Leuna Werke GmbH
Current assignee: TAPLICK, THOMAS, DR., 06686 LUETZEN, DE LOMMATZSCH
Priority date: 1994-04-28
Filing date: 1994-04-28
Publication date: 1996-10-24
Anticipated expiration: 2014-04-29
Also published as: DE4414883A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Vitalität von pflanzlichem Material und kann beispielsweise Anwendung finden bei der Charakterisierung von Waldschäden bezüglich des Vitalitätszustandes und deren Erfassung. Dabei ist, bedingt durch die Beobachtung von Prozessen der Photosynthese, eine Früherken nung von Abweichungen aus dem Normalzustand möglich, sowie ein Nachweis der Regeneration von Waldbeständen nach Reduzierung starker Umweltbelastungen zu erwarten. Darüber hinaus kann das Verfahren auch zur Beurteilung der Wirkung von Pflanzenschutzmitteln eingesetzt werden. Die Untersuchungsobjekte des vorliegen den Verfahrens sind beispielsweise die Nadeln von Koniferen, die Blätter von Laub bäumen, Büschen, Gräsern und Moosgeflechte.

Methoden zur Einschätzung des Vitalitätszustandes von pflanzlichem Material, insbesondere von Koniferen, beruhen entweder auf einer visuellen Einschätzung des Allgemeinzustandes der Pflanzen, wobei z. B. im Fall der Koniferen Kronenver lichtung, Anzahl der Nadeljahrgänge, Schädlingsbefall oder weitere Einzelbefunde herangezogen werden (Jahresbericht 1992, Forstliche Versuchsanstalt Sachsen- Anhalt). Diese Methoden sind infolge der Beurteilung durch Mitarbeiter trotz intensiver Schulung mit einem subjektiven Faktor versehen, der auch grundsätzlich nicht beseitigt werden kann.

Bei der Anwendung der ESR-Spektroskopie wurde von Laggner et al. (Angew. Chem. 100 (1988) 1790-1792) die Konzentration von Mn²⁺-Ionen in Kiefernnadeln bestimmt. Dabei ist eine einfache Aufteilung von drei unterschied lichen Spektrentypen zu Vitalitätszuständen erfolgt, so daß die Einschätzungen "gesund", "geschwächt" und "absterbend" aus dem Spektrentyp zu erkennen sein sollen. Basis für diese Vitalitätseinschätzung am weitgehend intakten biologischen Objekt stellt der Zusammenhang zwischen Mn²⁺ und dem Gesamtmangangehalt dar. Da allgemein bekannt ist, daß Mn-Mangelerscheinungen zu deutlichen Wachstumsstörungen führen, wurde die Einteilung in die drei Vitalitätszustände gewählt. Korrelationen zwischen Mn-Mangel und Umweltbelastungen konnten nachgewiesen werden.

Demgegenüber vertreten Lisowski et al. (Appl. Magn. Reson. 5 (1993) 15-23) die Ansicht, daß aus der Konzentrationsbestimmung von Mn²⁺ kein Schluß auf die Vitalität bzw. die Umweltbeeinflussung gezogen werden kann. Basis für diese Aussage ist der Nachweis hoher Mn²⁺-Konzentrationen in Nadeln stark geschädigter Fichtenbestände.

In einer weiteren Schrift (Gol′dfel′d et al., Doklady Akademia Nauk SSSR Vol. 236 (1977), 1489-1492) wurden bei 77 K Nadelmaterialien von Koniferen untersucht, wobei 2 unterschiedliche Mn²⁺-Partikel nachgewiesen und bezüglich ihrer Struktur diskutiert wurden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein allgemein anwendbares Verfahren zur Bestimmung der Vitalität von pflanzlichem Material, insbesondere von Koniferen, zu schaffen, das am weitgehend unzerstörten biologischen Objekt durchgeführt werden kann. Dabei soll eine Kenngröße, die mit der Vitalität des lebenden Objektes im Zusammenhang steht, bestimmt werden.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Als Vitalität im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Wahrscheinlichkeit verstanden, mit der von einer normalen Entwicklung der Pflanze ausgegangen werden kann oder Abweichungen von dieser normalen Entwicklung auftreten. Daher stehen Begriffe wie Vitalität, Wachstumsstörung und Umweltein flüsse in direktem Zusammenhang und werden in analoger Weise beschrieben. Entsprechend werden unter Teilen der Pflanze, die sich an der Photosynthese beteiligen, Nadeln von Koniferen, Blätter von Laubbäumen, Büschen, Sträuchern und Gräsern sowie Geflechte von Moosen, aber auch Algen verstanden.

Nach dem Verfahren werden neben den Informationen über dynamische Vitalitätsmaße auch Werte der Mangankonzentration erhalten. Entsprechend bestimmt man dynamische Vitalitätsmaße durch Ermittlung eines linienbreiten bestimmten Maßes als Charakterisierungsgröße, z. B. mittels Spektrensimulation. Fig. 1 zeigt charakteristische Amplituden des ESR-Spektrums von Mn²⁺.

Als Charakterisierungsgröße (linienbreitenbestimmtes Maß) der dynamischen Vitalität wird das Verhältnis h₆/h₅ ermittelt.

Der Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß im dynamischen Vitalitätsmaß nur relative Größen eines Spektrums zur Gewinnung der Information genutzt werden. Damit sind die in vielen Fällen der Spektroskopie und in besonderer Weise in der ESR auftretende Probleme der Konzentrationsbestimmung, die beispielsweise zwischen unterschiedlichen Laboratorien auftreten können oder durch Proben präparationen bedingt sein können, nicht vorhanden.

Die konkreten Verhältnisse, insbesondere die Anwesenheit weiterer Spektren para magnetischer Ionen im registrierten Gesamtspektrum, bestimmen die zu wählende Vorgehensweise. Im Falle der Überlagerung, die im allgemeinen durch ein asymmetrisches Spektrum erkennbar ist, ist somit der Quotient aus den charakteristischen Amplituden der 6. Linie (h₆) und der 5. Linie (h₅) für die Auswertung heranzuziehen.

Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren sind Kombinationen mit Werten des Ernährungszustandes, wie z. B. Kombinationen mit der relativen oder absoluten Mn²⁺-Konzentration, eingeschlossen. So ist beispielsweise auch ein dynamisches Vitalitätsmaß (DVM) definierbar.

In einigen Fällen ist neben dem Spektrum des Mn²⁺ im ESR-Spektrum der pflanz lichen Materialien das Vorhandensein weiterer paramagnetischer Zentren festzu stellen. Deren Einbeziehung in die Informationen zur Vitalitätseinschätzung zusätz lich zu den aus dem Mn²⁺-Spektren erhaltenen Informationen wird durch das Verfahren eingeschlossen. Dabei kann die Gewinnung der Informationen in analoger Weise zur Ermittlung des dynamischen Vitalitätsmaßes (DVM), also mit Hilfe von Spektrensimulationen oder durch Verwendung charakteristischer Amplituden erfolgen. Das Verfahren wird durchgeführt, indem ein konventionelles ESR- Spektrometer eingesetzt wird. Weiterhin ist ein ESR-Spektrometer oder ein Zusatz zu bekannten ESR-Spektrometern anwendbar, bei denen z. B. mittels einer softwaremäßigen Lösung durch eine automatische Aufarbeitung der registrierten Spektren ein Vitalitätsmaß erhalten wird, wodurch die Anwendung des Verfahrens durch einen Personenkreis ohne spektroskopische Kenntnisse erfolgen kann. Eine besonders vorteilhafte Weise zur Anwendung des Verfahrens ist die Verwendung eines tragbaren ESR-Spektrometers, das die Messungen unmittelbar vor Ort erlaubt.

Folgende Beispiele sollen mit Hilfe der Zeichnungen das Verfahren veranschau lichen, ohne daß damit die Vollständigkeit der Anwendungsbeispiele erschöpft ist.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Spektrum von Mn²⁺ und charakteristische Amplituden des Spektrums;

Fig. 2 eine modifizierte ESR-Küvette;

Fig. 3 die Abhängigkeit des DVM von der Entfernung von der Belastungsquelle für 2-jährige Nadeln;

Fig. 4 das auf der Basis der Linienbreite erhaltene dynamische Vitalitätsmaß der 2-jährigen Nadeln in Abhängigkeit von der Lagerzeit;

Fig. 5 Spektrum von Kiefernnadeln eines Baumes aus einer stark belasteten Industrieregion;

Fig. 6 die Abnahme der Vitalität mit zunehmenden Alter der Nadeln;

Fig. 7 die Temperaturabhängigkeit 1-jähriger Kiefernnadeln;

Fig. 8 die Temperaturabhängigkeit 2-jähriger Kiefernnadeln.

Alles Material, das für die Untersuchungen verwendet wurde, ist vor dem Einsatz mit Wasser, das mit Tensiden versetzt war (1 Vol.-Teil Reinigungsmittel: 3 Vol.-Teilen dest. Wasser), gesäubert worden, nach gründlicher Spülung mit destilliertem Wasser und Abtrocknung des Materials mit einem sauberen Tuch und einer kurzen (wenige Minuten) Lufttrocknung wurde das Material (z. B. ca. 6 Kiefernnadeln) in eine modifizierte Meßküvette (Fig. 2), wie sie normalerweise für die ESR- Untersuchung wäßriger Lösungen verwendet wird, eingebracht und in einem H₁₀₂- Resonator bei Mikrowellenleistungen 5 mW bei konstanter Raumtemperatur vermessen.

Durch die untere Öffnung der Küvette werden die Nadeln oder Blätter in die Küvette eingebracht. Wegen der mechanischen Beanspruchung werden die Küvetten vor teilhafterweise aus einem unpolaren Kunststoff ausreichender mechanischer Festig keit, wie z. B. Polypropylen, gefertigt.

Die in den Beispielen erforderlichen Bezugswerte einer Vitalitätseinschätzung lassen sich infolge des Mangels an objektiven Methoden der Vitalitätseinschätzung nur mit okularen Einschätzungen vergleichen, oder durch die Wahl von Standorten mit erheblicher Umweltbelastung, bei denen die Auswirkungen auf die Vegetation bekannt sind.

Beispiel 1

In der Umgebung einer Rinderzuchtanlage wurden in Kiefernbeständen entlang einer gedachten Achse in Windrichtung in bestimmten Abständen (siehe Tabelle 1) Proben entnommen, die ESR-spektroskopisch untersucht wurden. Infolge der Ammoniakbelastung in der Umgebung derartiger Zuchtanlagen ist eine Vitalitäts beeinflussung vorhanden.

Nadelproben der Kiefern, die zwischen dem 5. und 7. Wirtel entnommen worden sind, wurden auf die oben dargestellte Weise ESR-spektroskopisch untersucht. Es wurden aus den Abhängigkeiten von h₆/h₅ und h₅ von der Linienbreite aus simulierten Spektren empirische Beziehungen erstellt. Die Simulationen wurden auf Basis insotroper Hyperfeinstrukturkonstanten (9,5 mT) und einer Lorentzlinienform durchgeführt. Anhand dieser Beziehungen wurde im Rahmen einer Tabellenkalku lation aus dem Verhältnis von h₆/h₅ automatisch die Linienbreite bestimmt und die linienbreitenreduzierte Höhe von h₅ für die Konzentrationsbestimmung ermittelt.

Tabelle 1 zeigt das dynamische Vitalitätsmaß (DMV) und die Konzentration von Mn²⁺ als Funktion des Abstandes von der Schadstoffquelle.

Die Abhängigkeit des dynamischen Vitalitätsmaßes DVM von der Entfernung der Ammoniakquelle ist in Fig. 3 dargestellt.

Beispiel 2

Je ein Stück eines Kiefernastes aus Beständen des Flachlandes von Sachsen- Anhalt, an dem sich einjährige bzw. zweÿährige Nadeln befanden, wurden über einen längeren Zeitraum gelagert und die Nadeln in verschiedenen Zeitabständen gemessen. Die Lagerung der Aststücke zwischen den einzelnen Messungen er folgte feucht, bei 4°C und unter Lichtausschluß.

Auf diese Weise ist eine Veränderung der Schwermetallkonzentrationen der Objekte ausgeschlossen, aber von einer Abnahme der Vitalität, die nicht durch Ernährungs werte der Objekte beschrieben werden kann, ist mit Sicherheit auszugehen. Das auf der Basis der Linienbreite erhaltene dynamische Vitalitätsmaß der zwei jährigen Nadeln in Abhängigkeit von der Lagerzeit ist in Fig. 4 dargestellt. Die Abnahme der Vitalität ist deutlich erkennbar.

Beispiel 3

Kiefernnadeln eines Baumes aus einer stark belasteten Industrieregion zeigen das in Fig. 5 dargestellte Spektrum. Zur Beschreibung der Vitalität mit einem dynami schen Vitalitätsmaß kann nur auf die Spektrensimulation bzw. für die angenäherte Beschreibung auf das Verhältnis h₆/h₅ Bezug genommen werden.

Im vorliegenden Beispiel ergibt sich auf der Basis von h₆/h₅ ein dynamisches Vitalitätsmaß DVM 2,4 und gleichzeitig, daß ca. 80% bis 90% der nachgewiesenen paramagnetischen Ionen dem Fe³⁺ zuzuordnen sind. Auf der Basis der vorliegenden Erfahrungen ist beim Nachweis von Fe³⁺ im Spektrum von einer deutlichen Schädigung des pflanzlichen Materials auszugehen.

Beispiel 4

An den Proben des Beispiels 1 wurden neben den 2-jährigen Nadeln auch alle anderen vorhandenen Nadeljahrgänge untersucht. Die Auswertung mit dem DVM, die für die unterschiedlichen Standorte durchgeführt wurde, zeigt eine deutliche Abnahme der Vitalität mit zunehmendem Alter der Nadeln (Fig. 6).

Beispiel 5

Frische Kiefernnadeln, wie sie für Beispiel 2 verwendet wurden, sind mit Hilfe der normalen Gasstromtemperierung des ESR-Spektrometers in Abhängigkeit der Temperatur untersucht worden. Dazu wurden 4 Kiefernnadeln in ein Probenrohr gegeben und beginnend bei 20°C wurde die Temperatur in Stufen von 5 K erhöht und bei jeder Temperatur das Spektrum registriert. Für die Messungen bei Tempera turen < 20°C wurden neue Nadeln verwendet und die gleiche Vorgehensweise wie für die Messungen bei Temperaturen < 20°C gewählt.

Die Fig. 7 und 8 zeigen die für ein- und zweÿährige Kiefernnadeln erhaltenen Ergebnisse.

Bei Temperaturen von ca. -10°C bis 0°C erreicht DVM Werte von ca. 1,5. Ver glichen mit dem biologischen Befund der Vitalitätsruhe bei diesen Temperaturen ist daher bei Kiefern einem DVM von 1,5 die Vitalität 0 zuzuordnen. Für tiefere Tempe raturen werden wieder zunehmende DVM-Werte erhalten, da die dort erhaltenen Spektren nicht mehr für das gewählte Auswerteverfahren geeignet sind.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Vitalität oder der Schädigung oder der Umweltbeeinflussung von pflanzlichem Material mittels ESR-spektros kopischem Nachweis von Manganionen (Mn²⁺) an den Pflanzenteilen, die an der Photosynthese beteiligt sind, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Messung des ESR-Spektrums bei einer oder mehreren vorge gebenen Temperaturen ein linienbreitenbestimmtes Maß des Mn²⁺- Spektrums ermittelt und als Charakterisierungsgröße der Vitalität für eine vergleichende Beurteilung verwendet wird, wobei als linienbreiten bestimmtes Maß der Quotient aus den charakteristischen Amplituden der 6. Linie (h₆) und der 5. Linie (h₅) ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Charakteri sierungsgröße der Vitalität getrennt nach dem Alter des pflanzlichen Materials ausgewertet und ein Vitalitätsmaß durch Verknüpfung gewonnener Einzelergebnisse definiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aus wertung der Spektren durch Spektrensimulation erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß neben dem linienbreitenbestimmten Maß auch die Konzentration der Mn²⁺- Ionen sowie die weiterer paramagnetischer Ionen zur Beurteilung herange zogen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung verwendet wird, welche die Berechnung des Vitalitäts zustandes über eine automatische Erfassung der Spektren und eine auto matische Auswertung realisiert.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die spezifische Wirkung chemischer Verbindungen auf den Photosynthese prozeß von Pflanzen beurteilt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß die Charakterisierungsgrößen der Vitalität bei ausgewählten charakteristi schen Temperaturen zur Festlegung einer Vitalitätsskala für das betrachtete Material herangezogen werden.