Nährlösungs-Frage an die Experten

[Pommbaer]

Ich habe hier eine Frage deren Beantwortung leider unklar ist:

Eine Nährlösung für Mikroorganismen soll angesetzt werden. Welcher der folgenden Stoffe ist dafür am besten geeignet, und warum die anderen nicht.

FeCL₃, FeSO₄, FePO₄, Fe(OH)₃, Fe₂O₃

Vermutungen gehen hin zwei Richtungen: FePO₄ weil Phosphate zusätzlich als Nahrung dienen, oder FeSO₄ weil es das einzige zweiwertige Eisen ist.

Meine Vermutung war dahingehend, dass Mikroorganismen ihre Energie nur aus der Oxidaion von zweiwertigem Eisen nehmen können.

[Mark]

Hallo,

von den genannten Eisenverbindungen ist nur und ausschließlich das
Eisen(II)-sulfat geeignet, da alle anderen Verbindungen

1. Eisen in dreiwertiger Form enthalten
2. alle anderen sehr schlecht, bzw. gar nicht löslich sind und/oder den pH massiv beeinflussen

Will man einen Dünger ansetzen, gehören dort auch Chelatbildner (EDTA, Nitrilotriacetat, etc.) hinein,
da das freie Eisen(II) in wäßriger Lösung schnell oxidiert wird.

Es gibt im Netz auch fertige Rezepte für Nährlösungen
Nebenbei bemerkt dient Eisen nicht der Energiegewinnung, sondern ist ein Spurenelement.


Gruß
Mark

[treinisch]

Hallo,

also die meisten Verbindungen in deiner Liste sind natürlich offensichtlich Scherze.

Zum FeCl₃ möchte ich jenseits biologischer Kompetenz beitragen, dass
Guillard F/2 und Sachs/Stöckhardt-Lösung mit FeCl₃ angesetzt werden.

Herzliche Grüße

Timm

[Pommbaer]

Dass sich die Nährlösung speziell nach den Mikroorganismen richtet ist klar.
Bei der Aufgabe liegt das Hauptaugenmerk auf den Stoffen.

Die Frage selbst ist aus dem Fach Chemie. Wäre sie aus dem Fach Mikrobiologie wäre das Hauptaugenmerk wohl eher auf den Mikroorganismen.

[Klaus Herrmann]

Hallo,

Die Frage selbst ist aus dem Fach Chemie

dann müssen auch Chemiker antworten:

die ersten beiden sind geeignet die letzte 3 nicht, weil nur sehr schwer in Wasser löslich, und das ist für eine Nährlösung schon wichtig!

Merke: Frage so stellen, dass auch die richtigen (gewünschten) Antworten gegeben werden können!

[Pommbaer]

Naja chemisch gesehen hat FePO₄ das höchste Löslichkeitsprodukt. Aber ich glaube es liegt echt an der zweiwertigkeit des Eisens in FeSO₄.

[treinisch]

Naja chemisch gesehen hat FePO₄ das höchste Löslichkeitsprodukt.

Naja, die Größe von Zahlen ist zunächst mal keine Frage der Chemie.
Für die nahezu unglaubliche Behauptung FePO₄ habe ein hohes geschweige denn
das höchste Löslichkeitsprodukt der Chemikalien aus deiner Liste
möchte ich gern nach einer Quelle fragen:

Wo hast Du das denn her?

Viele liebe Grüße

Timm

[Klaus Herrmann]

Hallo Chemiker,

FePO₄x2 H₂O mineralogisch Strengit

Laut D´ans Lax Band I  3. Auflage unlöslich in Wasser. Was zugegeben eine etwas unscharfe Aussage ist. Aber schon in die Richtung: nicht geeignet, weil (sehr) schwer löslich, geht!

[treinisch]

Hallo,

so, ich habe jetzt mal ganz klassisch geblättert und finde im CRC Handbook
für das Klaus' Dihydrat einen pK_L=28! So viel zum Thema
das höchste Löslichkeitsprodukt! Ich würde mal sagen, dass in diesem Fall die
Löslichkeit mit "unlöslich" recht exakt beschrieben ist.

Da löst sich ja eher die Flasche auf als das Phosphat!

Viele liebe Grüße

Timm

P.S. Wobei ich – aus rein chemischer Sicht – nicht d'accord gehe hinsichtlich mangelhafter
Eignung für eine Nährlösung! Hängt natürlich vom Eisenbedarf ab, aber

• FeCl₃ mit EDTA liefert vermutlich auch keine viel höhere Konzentration an freiem Eisen
• haben so weit ich weiß beispielsweise Siderophore Komplexbildungskonstanten die teilweise das Löslichkeitsprodukt des Phosphates alt aussehen lassen, zB Fe(III)-Enterobactin pK=-56.
• enthält beispielsweise Guillard F/2-Nährlösung fast vier mal so viel Phosphat wie Eisen so, dass man wohl
getrost davon ausgehen kann, dass praktisch das gesamte Eisen kolloidal als Phosphat vorliegt

oder?

[Pommbaer]

Argh um Missverständnissen die Grundlage zu entziehen:

Es geht nur um die fünf beschriebenen Stoffe.

Bei der Löslichkeit bezog ich mich auf diese Stoffe. Von denen hatte FePO₄ das höchste Löslichkeitsprodukt - also relativ gesehen.

[treinisch]

Argh um Missverständnissen die Grundlage zu entziehen:

Es geht nur um die fünf beschriebenen Stoffe.

Bei der Löslichkeit bezog ich mich auf diese Stoffe. Von denen hatte FePO₄ das höchste Löslichkeitsprodukt - also relativ gesehen.

Argh, nein, hat es nicht. Wie kommst Du denn darauf? Ich habe dir doch Literaturwerte genannt.
FeCl₃ und FeSO₄ haben ein sehr sehr viel höheres Löslichkeitsprodukt sowohl relativ als auch absolut.

Das Eisenhydroxid mag ein kleineres Löslichkeitsprodukt haben. Eisenphosphat ist so gut wie nicht wasserlöslich.
Ob jetzt wasserfrei oder als Hydrat ist für das Löslichkeitsprodukt bei diesen Verbindungen völlig unerheblich.

Mir schwant gerade etwas: das kleine p bedeutet -Log also großes pK_L bedeutet kleines K_L. Verbindungen mit großem pK_L haben also ein kleines Löslichkeitsprodukt K_L und sind schlechter löslich. Vielleicht hast Du in irgend einer Tabelle das p übersehen?

Beste Grüße

Timm

[Hyperion]

Also bevor ihr euch weiter rumstreitet:

FeCL3, FeSO4, FePO4, Fe(OH)3, Fe2O3

Eisen(III)-phosphat, "Eisen(III)-hydroxid" (was es eigentlich gar nicht gibt, eher FeO(OH) bzw Fe₂O₃ x n H₂O) und Eisen(III)-oxid sind so schwer löslich, dass sie nicht als Eisenquelle für Nährmedium infrage kommen.

Bez. Eisen(III)-chlorid oder Eisen(II)-sulfat:

gehören dort auch Chelatbildner (EDTA, Nitrilotriacetat, etc.) hinein,
da das freie Eisen(II) in wäßriger Lösung schnell oxidiert wird.

Der Gelatbildner dient eher der Verhinderung von Ausfällungen von Eisen(III)-salzen ("Hydroxid", Phosphat) aus der Lösung, und ausserdem werden viele Ionen als Gelat besser resorbiert, und NICHT der Verhinderung der Oxidation, siehe

Plant Propagation by Tissue Culture, Vol 1, 3rd ed, Springer, 2008:

The form of iron complexed is invariably Fe(III). If iron has been provided from ferrous salts, it is oxidised during heating in aerated solutions. [Wie autoklavieren des Mediums]
The rate of oxidation of the ferrous ion is enhanced in some complexes and retarded in others. That of Fe²⁺-EDTA is extremely rapid. Only a small portion of Fe²⁺ is likely to remain: its chelate with EDTA is much less stable than the Fe(III) complex. Iron is however thought to be absorbed into plants in the ferrous form. Uptake of iron from EDTA propably occours when molecules of the Fe(III)-chelate bind to the outer plasma membrane (the plasmalemma) of the cytoplasm, where Fe(III) is reduced to Fe(II) and freed from the chelate.

Demnach ist es bei autoklavieren Medien und bei aerober Kultur fast schon wurscht ob man jetzt Fe(II)- oder Fe(III) zugibt, da man eh immer ein Gemisch aus beiden spezies vorliegen hat.

- Eisen(III)-ionen regieren als Aquakomplex in Lösung saurer, im Verlgeich zu Eisen(II)-ionen (Siehe Kationensäure im Hollenmann Wiberg). Meistens wird jedoch zum einen der pH Wert mittels pH Meter eingestellt, zum anderen wie o. g. ein Gelatbildner verwendet und da liegt dann kein Aquakomplex des Eisens mehr vor.

Meiner Ansicht nach ist der Grund warum man eher Eisen(II)-sulfat als Eisen(III)-chlorid nimmt im Anion zu suchen. Viele Organismen vertragen Chloridionen in höherer Konzentration nicht so gut, ja sind sie in hoher Konzentration gar toxischer für viele Organismen im Vergleich mit anderen Ionen. Eisen(III)-nitrat dagegen wird häufiger mal in Medien verwendet.

Ähnliches findet man bei Natrium, deswegen nimmt man meist Salze mit anderen Kationen und nur wenige mit Natrium.


Davon abgesehen ist fraglich ob man in komplexen Lösungen überhaupt noch mit irgendwelchen Löslichkeitsprodukten rechnen kann, da sich viele Ionen Spezies gegenseitig beeinflussen (so lässt sich Calciumsulfat bei Anwesenheit von phosphationen z. B. viel stärker konzentrieren, was laut dem einfachen Löslichkeitsprodukt ja gar nicht sein dürfte).

Zumindest müsste man das Löslichkeitsprodukt mit den Aktivitäten berechnen, da die Vereinfachung c(x) ~ A(x) in solchen Lösungen nicht mehr gilt.

[treinisch]

Hallo Hyperion,

Der Streit ist doch der Vater aller Dinge :-) aber eigentlich sind sich doch alle einig. Bis auf die
absurde Behauptung Pommbaers, Eisenphosphat sei besser löslich als Eisen(III)chlorid oder
Eisen(II)sulfat, dich mich, zugegeben, etwas provoziert hat.

Allem was Du geschrieben hast stimme ich vorbehaltlos zu. Der Aspekt mit dem Chlorid ist ja interessant! Denn
das von mir vielzitierte Guillard F/2 ist doch – so glaube ich – ein Medium für Salzwasser-Algen. Was ja deine
Hypothese nur untermauert.

Davon abgesehen ist fraglich ob man in komplexen Lösungen überhaupt noch mit irgendwelchen Löslichkeitsprodukten rechnen kann, da sich viele Ionen Spezies gegenseitig beeinflussen (so lässt sich Calciumsulfat bei Anwesenheit von phosphationen z. B. viel stärker konzentrieren, was laut dem einfachen Löslichkeitsprodukt ja gar nicht sein dürfte).

Zumindest müsste man das Löslichkeitsprodukt mit den Aktivitäten berechnen, da die Vereinfachung c(x) ~ A(x) in solchen Lösungen nicht mehr gilt.

Das Problem mit dem Löslichkeitsprodukt liegt bei einer gebrauchsfertigen Nährlösung doch sicher nicht in der nicht idealen Lösung, sondern an den anderen Gleichgewichten, die man zur Berechnung der Löslichkeit mit berücksichtigen müsste, dazu hat natürlich normalerweise niemand Lust, wozu auch.

Das mit dem Phosphat und dem Gips finde ich sehr spannend, hätte ich nicht gedacht, liegt vermutlich am Dihydrogenphosphat?

Viele liebe Grüße

Timm

[Hyperion]

Das Problem mit dem Löslichkeitsprodukt liegt bei einer gebrauchsfertigen Nährlösung doch sicher nicht in der nicht idealen Lösung

Bei genauerer Betrachtung gebe ich dir recht, Nährmedien sind meist nicht wirklich konzentriert als das da die Aktivität nennenswert mit reinspielt.

Das mit dem Phosphat und dem Gips finde ich sehr spannend, hätte ich nicht gedacht, liegt vermutlich am Dihydrogenphosphat?

Kann sein, in diesem Paper wird der Effekt mit Magnesiumchlorid beschrieben:

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/je900720y

[Detlef Kramer]

Liebe Leute,

die Sache ist leider nicht nur eine Frage der Chemie - und jetzt wird es so kompliziert, dass wir das eigentlich gar nicht auflösen können.

Nährlösungen für höhere Pflanzen (Dünger) müssen in der Tat Fe in der II-Stufe anbieten; die allermeisten Pflanzen können mit Fe-III direkt nichts anfangen. Liegt aber Fe so im Boden gelöst vor? Natürlich nicht! Also produzieren z.B. Wurzeln der höheren Pflanzen Säuren, Chelate und Reduktionsäquivalente, um aus Fe-III Fe-II zu machen, um die dann gelöst aufzunehmen. Und dann noch eine Ausnahme: die Süßgräser (Weizen,Reis, Mais, Roggen usw. d.h. unsere wichtigsten Nutzpflanzen) können Fe-III direkt aufnehmen.

Dieses lehrt uns, dass die Frage so einfach nicht lösbar ist, so bald man Lebewesen mit eigenen Transportmechanismen und Möglichkeiten der Einflussnahme auf die Umwelt einbezieht. Das hier nur aus meiner bescheidenen Erfahrung mit höheren Pflanzen. Ich kann mir überhaupt nicht vorstellen, dass es im Bereich der Bakterien (egal ob Archae oder Eu) nicht unzählige Spezialisten gibt, die mit all solchen Situationen fertig werden, so lange ein wenig Wasser zugegen ist.

Bei der Entwicklung von Nährmedien verfolgt man dagegen das Ziel, den zu produzierenden Organismen optimale Bedingungen zu liefern, d.h. ihren Energie-Haushalt so wenig wie möglich zu belasten. Deshalb blieben die oben beschriebenen Mechanismen der Eisenmobilisierung durch Wurzeln im Boden lange Zeit unerkannt.

Also, für die Praxis ist es schon richtig: F-II in gut gelöster Form! Ich würde dafür aber nicht für alle Bakterien-Arten die Hand ins Feuer legen.

Herzliche Grüße

Detlef