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Lexikon der Biologie: Aluminium

Aluminium s [von latein. alumen = Alaun], chemisches Zeichen Al, das dritthäufigste Element und häufigste Metall in der Erdkruste, in der es in Form von Oxiden und Aluminiumsilicaten vorliegt. Aluminium gilt als Spurenelement ohne bisher bekannte spezifische Funktion im Stoffwechsel der Höheren Pflanzen. Es ist für Farne und Schachtelhalme lebensnotwendig, besonders hoch ist der Gehalt von Aluminium im Teestrauch (Teestrauchgewächse): er erreicht dort bis zu 5000 mg/kg Trockengewicht, während er bei anderen Höheren Pflanzen ca. 200 mg beträgt. Aluminium ist Bestandteil des Bodens (Bodenentwicklung) und wirkt dort bei zu hoher Konzentration als Wurzelgift. Vor allem bei Versauerung des Bodens (Bodenreaktion, saurer Regen) wird das Metall ab einem pH-Wert von weniger als ca. 5,5 in toxischen Mengen freigesetzt: mit sinkendem pH-Wert herrschen in Folge Al(OH)2+, AlOH2+ und Al3+ vor. Aluminium verdrängt Calcium und Magnesium von den Austauschplätzen in den Bodenkolloiden, so daß Pflanzen unter extremen Bedingungen an diesen Elementen Mangel leiden können. In Wurzelzellen (Wurzel) führt Aluminium zu einer Depolymerisierung der Mikrotubuli und zu einer Versteifung der Actinfilamente mit einer nachfolgenden Hemmung des Wachstums. Es konkurriert mit GTP (Guanosin-5´-triphosphat) bei der Bindung an GTPasen und stört so die signalgesteuerte Dynamik des Zellskeletts. Die Versteifung der Actinfilamente hängt mit dem vermehrten Auftreten des Actin-bindenden Proteins Fimbrin zusammen, dessen Expression durch Aluminium induziert wird. Es wird geschätzt, daß Aluminium auf etwa 40% der Anbauflächen ein Problem darstellt. Eine Entgiftung Aluminium-belasteter Böden könnte z. B. durch den Einsatz von Jianxi-Buchweizen (Fagopyrum esculentum Moench cv. Jianxi) erreicht werden, der zehnmal mehr Aluminium anreichern kann als andere Pflanzen; Jianxi-Buchweizen bildet bei steigendem Aluminiumgehalt des Bodens Oxalsäure, die das Aluminium bindet und so unschädlich macht. Ein ähnlicher Mechanismus wirkt bei Kulturpflanzen wie Weizen, Bohne und Weißer Lupine: sie scheiden über ihre Wurzeln Aluminium-ausfällendes Citrat (Citronensäure) oder Malat (Apfelsäure) aus. Das für die Bildung von Citrat verantwortliche Enzym Citratsynthase wurde aus Bakterien in die Modellpflanze Tabak übertragen. Bei den transgenen Tabakpflanzen konnte nicht nur eine erhöhte Citratkonzentration im Cytoplasma, sondern auch eine vermehrte Abgabe von Citrat in den Wurzelraum nachgewiesen werden. In Kultivierungsversuchen bei unterschiedlichen Aluminiumkonzentrationen zeigte transgener Tabak stets ein besseres Wurzelwachstum als unbehandelte Kontrollpflanzen. Unklar ist bisher, ob sich diese Ergebnisse auch im Freiland wiederholen lassen und ob die Mehrproduktion von Citrat nicht auf Kosten anderer Stoffwechselwege geschieht. Fraglich ist auch, ob sich so die Erträge auf sauren Böden steigern lassen, da noch zahlreiche andere Umwelt- und Bodenfaktoren die Erntemenge beeinflussen. – Die Funktion von Aluminium im tierischen Stoffwechsel ist biochemisch kaum erforscht. Bekannt ist das Problem eines erhöhten Aluminiumgehalts in Frischwasser, dessen Ursache die Aluminium-Auswaschung aus Mineralien unter der Wirkung des sauren Regens ist. Ökologisch zeigt dies bereits dramatische Folgen, da Fische schon bei nanomolaren Al3+-Konzentrationen vergiftet werden (Fischsterben) und die Toxizitätsschwelle in vielen Seen überschritten ist. Beim Menschen spielt hauptsächlich die Resorption von Al3+ durch den Magen-Darm-Trakt eine Rolle; es wird als Phosphat in Knochen eingelagert, die Ausscheidung erfolgt ausschließlich über die Nieren. Zwar sind diese Vorgänge kaum untersucht, doch gilt als gesichert, daß Aluminium bei normaler Nierenfunktion nicht in toxischen Mengen angereichert werden kann. Bei eingeschränkter Nierenfunktion mit anhaltender Aluminiumbelastung kann es jedoch zu Vergiftungserscheinungen kommen. Aluminium behindert die Knochenbildung und die Abgabe von Parathormon aus der Nebenschilddrüse. Eine Verschlechterung der Anämie bei Dialysepatienten ist oft das erste Anzeichen für eine Aluminium-Intoxikation. Die früher häufig auftretende und oft zum Tode führende Dialyseencephalopathie wird auf den hohen Aluminiumgehalt des verwendeten Wassers zurückgeführt. Dies wird heute durch Deionisierung des verwendeten Wassers verhindert. Ein früher diskutierter Zusammenhang zwischen den Demenzerscheinungen bei der Alzheimerschen Krankheit und dem erhöhten Aluminiumgehalt in den dabei gebildeten neurofibrillären Plaques konnte nicht bestätigt werden; Aluminium hat offensichtlich nur eine hohe Affinität für die Plaques. Hämatoxylin, Metallvergiftungen, neuartige Waldschäden, Wöhler (F.).

P.N./A.Se./M.B.

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