University, Diss., 2007--Würzburg. / Enth. 2 Sonderabdr. aus: Proceedings of the 7th International Symposium on Adjuvants for Agrochemicals ; 2004. Erscheinungsjahr an der Haupttitelstelle: 2006.

The objective of this Thesis was to progress the understanding of the mechanisms of cuticular uptake into living plant foliage, thereby enabling uptake of important compounds such as pesticides and pollutants to be modelled. The uptake of three model compounds, applied in the presence and absence of surfactants, into the leaves of three plant species (Chenopodium album L., Hedera helix L. and Stephanotis floribunda Brongn) was determined. The results with 2-deoxy-D-glucose (DOG), 2,4-dichlorophenoxy-acetic acid (2,4-D) and epoxiconazole in the presence of surfactants (the polyethylene glycol monododecyl ethers C12EO3, C12EO6, C12EO10, and a trisiloxane ethoxylate with mean ethylene oxide (EO) content of 7.5, all used at one equimolar concentration) illustrated that the initial dose (nmol mm-2) of xenobiotic applied to plant foliage was a strong positive determinant of uptake. Using this new approach for whole plant uptake, uptake on a per unit area basis was found to be related to initial dose of xenobiotic applied, by an equation of the form: Uptake(nmol mm-2) = a [ID]b at time t = 24 hours, where ID is the initial dose or the mass of xenobiotic applied per unit area (M(nmol xenobiotic applied)/A(droplet spread area)). Total mass uptake can then be calculated from an equation of the form: Total Uptake(nmol) = a [ID]b.A. In order to verify this relationship, further studies determined the uptake of three pesticides, applied as commercial and model formulations in the presence of a wide range of surfactants, into the leaves of three plant species (bentazone into Chenopodium album L. and Sinapis alba L., epoxiconazole and pyraclostrobin into Triticum aestivum L.). The results confirmed that the initial dose (nmol mm-2) of xenobiotic applied to plant foliage is a strong, positive determinant of uptake. In a novel approach, further studies used this relationship (nmol mm-2 uptake versus ID; termed the uptake ratio) to establish the relative importance of species, active ingredient (AI), AI concentration (g L-1) and surfactant to uptake. Species, AI, its concentration, and surfactant all significantly affected the uptake ratio. Overall, 88% of the deviance could be explained. More useful was the analysis of the individual xenobiotics, where the models explained 83%, 85%, and 94% of the variance in uptake ratio for DOG, 2,4-D, and epoxiconazole, respectively. In all cases, species, surfactant, and AI concentration significantly affected the uptake ratio. However, there were differences in the relative importance of these factors among the xenobiotics studied. Concentration of AI increased in importance with increasing lipophilicity of AI, while species was much less important for the most lipophilic compound. Surfactant became less important with increasing AI lipophilicity, although it was always important. The preceding studies considered uptake at only one time interval (24 hours). Total uptake after 24 hours can be the same for a compound formulated with different surfactants, but rates of uptake (and therefore rain-fastness and subsequent translocation to target sites) can be quite different. Therefore, there was a requirement to be able to model uptake over time into whole plants. Hence, the objective of further studies was to determine whether a logistic-kinetic penetration model, developed using isolated plant cuticles, could be applied to whole plant uptake. Uptake over 24 hours was determined for three model compounds, applied in the presence and absence of surfactants, into the leaves of two plant species. Overall, the model fitted the whole plant uptake data well. Using the equations developed, based on initial dose, to calculate uptake at 24 hours, in conjunction with the logistic-kinetic model, has significantly progressed our understanding and ability to model uptake. The advantages of the models and equations described are that few variables are required, and they are simple to measure. / Das Ziel dieser Dissertation war es, das Verständnis der Mechanismen der Aufnahme von Wirkstoffen über die Kutikula in die Blätter einer lebenden Pflanze zu verbessern und es dadurch möglich zu machen, die Aufnahme von wichtigen Verbindungen wie z.B. von Pestiziden und Schadstoffen zu modellieren. Es wurde die Aufnahme von drei Modellverbindungen ermittelt, die in Anwesenheit und Abwesenheit von oberflächenaktiven Stoffen in die Blätter von drei Pflanzenarten (Chenopodium album L., Hedera helix L. und Stephanotis floribunda Brongn.) aufgetragen wurden. Das Ergebnis mit 2-Deoxy-D-Glucose (DOG), 2,4-Dichlorphenoxy-Essigsäure (2,4-D) und Epoxiconazol in Anwesenheit der oberflächenaktiven Stoffe (die Polyethylenglycolmonododecylether C12EO3, C12EO6, C12EO10, und ein Trisiloxanethoxylat mit einem EO-Mittelwert von 7,5; wobei alle in einer äquimolaren Konzentration und daher in verschiedenen prozentualen Konzentrationen verwendet wurden) zeigte, dass die auf die Pflanzenblätter aufgetragene anfängliche Dosis (nmol mm-2) an Xenobiotikum ein starker, positiv bestimmender Faktor für die Aufnahme war. Verwendet man diese neue Beschreibung der Aufnahme von Xenobiotica in ganze Pflanzen, so kann man feststellen, dass die Aufnahme pro Einheitsfläche von der anfänglichen Dosis von aufgetragenem Xenobiotikum abhängig ist, und zwar nach folgender Gleichung: Aufnahme(nmol mm-2) = a [ID]b bei einer Zeit t = 24 Stunden, wobei ID für die anfängliche Dosis oder die Masse an pro Einheitsfläche aufgetragenem Xenobiotikum steht (M(nmol aufgetragenes Xenobiotikum)/A(Tropfenausbreitungsbereich)). Die Gesamtaufnahme der Masse kann dann aus einer Gleichung der Formel: Gesamtaufnahme(nmol) = a [ID]b.A errechnet werden. Um diese Beziehung zu bestätigen, wurde in zusätzlichen Studien die Aufnahme von drei Pestiziden ermittelt, die als gewerbliche und Modellformulierungen in Anwesenheit einer großen Auswahl von oberflächenaktiven Stoffen in die Blätter von drei Pflanzenarten (Bentazon in Chenopodium album L. und Sinapis alba L., Epoxiconazol und Pyraclostrobin in Triticum aestivum L.) aufgetragen wurden. Die Ergebnisse bestätigten die Feststellung, dass die anfängliche, auf die Pflanzenblätter aufgetragene Dosis (nmol mm-2) an Xenobiotikum ein starker, positiv bestimmender Faktor der Aufnahme ist. Bei einem neuartigen Ansatz verwendeten zusätzliche Studien dieses Verhältnis (nmol mm-2 Aufnahme pro ID; genannt Aufnahmeverhältnis), um die relative Bedeutung der Arten, der Wirksubstanz (AI), der AI-Konzentrationen (g L-1) und der oberflächenaktiven Stoffe für die Aufnahme zu ermitteln. Die Art, AI, ihre Konzentration und die oberflächenaktiven Stoffe hatten alle einen erheblichen Einfluss auf das Aufnahmeverhältnis. Insgesamt konnte 88 % der Abweichung erklärt werden. Noch nützlicher war die Analyse der einzelnen Xenobiotika, bei denen die Modelle 83 %, 85 % und 94 % der Varianz im Aufnahmeverhältnis jeweils für DOG, 2,4-D und Epoxiconazol erklärten. In allen Fällen hatten die Arten, der oberflächenaktive Stoff und die AI-Konzentration einen erheblichen Einfluss auf das Aufnahmeverhältnis. Es gab jedoch Unterschiede bei der relativen Bedeutung dieser Faktoren unter den untersuchten Xenobiotika. Die Konzentration von AI gewann größere Bedeutung mit einer erhöhten Fettlöslichkeit von AI, während die Art eine weit geringere Rolle für die meisten lipophilen Verbindungen spielte. Oberflächenaktive Stoffe verloren an Bedeutung mit zunehmender AI-Fettlöslichkeit, obwohl diese stets von Bedeutung waren. Die bisher dargestellten Studien zogen die Aufnahme bei nur einem Uhrzeitintervall (24 Stunden) in Betracht. Die Gesamtaufnahme nach 24 Stunden kann zwar bei einer Verbindung, die mit verschiedenen oberflächenaktiven Stoffen formuliert ist, die gleiche sein, die Aufnahmeraten (und daher die Regenfestigkeit und anschließende Translokation an Zielstellen) können dabei jedoch völlig verschieden sein. Es bestand daher die Notwendigkeit, die Aufnahme in vollständigen Pflanzen im Zeitablauf modellieren zu können. Infolgedessen war es das Ziel zusätzlicher Studien festzustellen, ob ein logistisch-kinetisches Penetrationsmodell, das unter Anwendung isolierter pflanzlicher Kutikeln entwickelt wurde, bei der Gesamtpflanzenaufnahme zum Einsatz kommen könnte. Die Aufnahme über 24 Stunden wurde für drei Modellverbindungen ermittelt, die in Anwesenheit und Abwesenheit von oberflächenaktiven Stoffen in die Blätter von zwei Pflanzenarten aufgetragen wurden. Insgesamt gesehen entsprach das Modell den Pflanzenaufnahmedaten sehr gut.

Univ., FB Chemie, Diss.--Hamburg, 2000.

University, Diss., 2005--Würzburg. / Parallelt.: Kutikulärer Transport von hydrophilen Primärmetaboliten und Aktivsubstanzen.

The plant cuticle as an interface between the plant interior and the adjoining atmosphere plays an important role in any interaction between the plant and its environment. Transport processes across the cuticles were the object of countless research since many decades. However, bulk of the work done was focused on transport of lipophilic molecules. It is highly plausible to examine the penetration of lipophilic compounds, since the cuticle is dominated by lipophilic compartments itself, and the most crop protection agents have lipophilic character. As a result of this research, cuticular transport of lipophilic compounds is relatively well understood. Since several years, examinations were expanded on transport of hydrophilic molecules. In the present study, a direct comparison was made between transport properties of lipophilic and hydrophilic compounds, which allows an objective assessment of the mechanism governing their penetration. The results of this present study debunked the existence of two different pathways across isolated cuticles of Hedera helix (English ivy), a lipophilic and a hydrophilic pathway. This finding was supported by examinations regarding to accelerator and temperature effects on the mobility of both pathways, because the hydrophilic path is insensitive to them - in contrary to the lipophilic one. The lipophilic pathway is rigorously restricted to lipophilic molecules and the hydrophilic pathway is only accessible for hydrophilic molecules. Uncharged hydrophilic compounds can cross the cuticle even the molecules are of relatively large dimensions. In contrast to that, dissociable compounds with a molar volume higher than 110 cm³ mol-1 are excluded from cuticular penetration. Differences in the mobility of uncharged and dissociable molecules might be a hint towards the chemical nature of the polar pathways. It is assumed, that both, cellulose and pectin fibrils, traverse the cuticle which are originated from the epidermal cell wall. While uncharged carbohydrates might be able to penetrate across a pathway made up of cellulose and pectin, dissociated amino acids might be restricted to the cellulose path. This could be a plausible explanation for the higher mobility and the higher cuticle/water partition coefficients of the carbohydrates compared with the amino acids. A hydrophilic pathway was found with isolated grapevine cuticles, too. The apparent size selectivity of the hydrophilic pathway implies transport via narrow pores. From the present data, a mean pore radius of 0.31 nm (H. helix) or rather 0.34 nm (V. vinifera) was calculated. The absolute number of pores per cm² is 1.1 x 109 for H. helix and 3.3 x 109 for V. vinifera cuticles. This finding and the enlarged pore size distribution of grapevine cuticles might be an explanation for the transport of uncharged and dissociable hydrophilic compounds of higher molar volume like paraquat dichloride - in contrast to ivy membranes Wax extraction of ivy membranes uncovers additional pores, which explains the increased mobilities of the hydrophilic compounds across dewaxed membranes. From these extensive measurements it is very conspicuous, that the bulk of cuticular water transpiration occurs via the polar pathway. Since the work was focused on cuticular penetration of primary metabolites like amino acids and carbohydrates, a mechanistic explanation of leaching processes is obtained, simultaneously. In cuticular research, an inconsistent terminology regarding the transport path of the hydrophilic compounds was used. The term ‘hydrophilic pathway’ is definitely correct, since it makes no statement with regard to the shape of this path. In contrast to that, the terms ‘polar pore’ or ‘aqueous pore’ could imply that there is a tube or rather a water-filled tube traversing the cuticle. However - at this point of time – the imagination about the shape of this path is a pathway across interfibrilar gaps within polysaccharide strains. The proposed diameter of these interfibrilar gaps fits very well to the diameter determined in this study. Therefore, the imagination of a pore is not unfounded, but it is a very narrow pore, definitely. Additionally, this pathway is a very straight pathway which corresponds to this simplified imagination. An expanded study was done with paraquat dichloride, which was applied as aqueous droplets on grapevine cuticles. It is assumed that these model membranes reflect transport properties which are very close to that of relevant crops and weeds. The predominating parameter for paraquat penetration is the moisture, either originated from a relative humidity of at least 75% or provided by added chemicals. There is a tendency for good suitability of hygroscopic additives. Increased paraquat penetration was also obtained by raised concentrations and removal of the cuticular waxes. / Die pflanzliche Kutikula als Grenzfläche zwischen der Pflanze und ihrer Umgebung nimmt eine wichtige Aufgabe hinsichtlich der Interaktion Pflanze/Umwelt ein. Kutikuläre Transportprozesse sind bereits seit Jahrzehnten Gegenstand zahlreicher Forschungen. Das Hauptaugenmerk war dabei jedoch größtenteils auf lipophile Verbindungen gerichtet, was auch plausibel ist, da die Kutikula an sich eine lipophile Membran darstellt und nicht zuletzt auch viele Aktivsubstanzen aus dem Bereich des Pflanzenschutzes lipophil sind. Daraus resultiert ein sehr gutes Verständnis hinsichtlich der Transportmechanismen lipophiler Moleküle. In den letzten Jahren wurde die Forschung jedoch auf hydrophile Modellverbindungen ausgeweitet. Die vorliegende Studie beruht auf einem direkten Vergleich der Transporteigenschaften von lipophilen und hydrophilen Verbindungen, der Unterschiede in den jeweiligen Mechanismen aufzeigen soll. Die Ergebnisse dieser Messungen erbrachten den Nachweis für die Existenz zweier klar differenzierbarer Transportwege in isolierten Kutikularmembranen von Efeu (H. helix); einen lipophilen und einen hydrophilen Pfad. Diese Unterscheidung wurde durch weitere Experimente untermauert, da der lipophile Weg - im Gegensatz zum hydrophilen Weg - tensid- und temperatursensitiv ist. Lipophile Moleküle können ausschließlich über den lipophilen Weg permeieren, während der hydrophile Weg ausschließlich für hydrophile Verbindungen zur Verfügung steht. Eine Besonderheit hinsichtlich der Ladung hydrophiler Verbindungen wurde gefunden: Ungeladene hydrophile Moleküle können auch bei größerem Molvolumen noch durch die Membran transportiert werden. Im Gegensatz dazu wurde für hydrophile dissoziierbare Moleküle mit einem Molvolumen größer als 110 cm3 mol-1 ein Transportausschluss festgestellt. Unterschiede in der Mobilität geladener und dissoziierbarer hydrophiler Verbindungen könnten ein Hinweis in Richtung der Chemie des hydrophilen Weges sein. Es wird angenommen, dass sowohl Cellulose- als auch Pektinfibrillen die Kutikula durchziehen. Ursprung dieser Fibrillen ist die epidermale Zellwand. Eine höhere Mobilität der Kohlenhydrate gegenüber den Aminosäuren könnte dadurch erklärt werden. Ungeladene Kohlenhydrate können demnach sowohl über Cellulose- als auch Pektinfibrillen transportiert werden, während dissoziierte Aminosäuren möglicherweise nur über Cellulosefibrillen permeieren können. Diese Hypothese würde auch die im Vergleich zu den Aminosäuren höheren Verteilungskoeffizienten der Kohlenhydrate erklären. Auch für Blattkutikeln von Wein (V. vinifera cv. Nelly) wurde ein hydrophiler Weg gefunden. Die ausgeprägte Größenselektivität des hydrophilen Weges impliziert einen Transport durch enge Poren. Aus den gemessenen Daten ließ sich ein mittlerer Porenradius von 0.31 nm für Efeu und 0.34 nm für Wein bestimmen. Die absolute Porenanzahl pro Quadratzentimeter beträgt bei Efeu 1.1 x 109 und bei Wein 3.3 x 109. Diese Ergebnisse und die breitere Verteilung des mittleren Porenradius’ bei Wein können den Transport von Paraquat durch Weinmembranen und den Transportausschluss bei Efeumembranen erklären. Eine Extraktion der kutikulären Wachse bei Efeukutikeln legt weitere Poren frei, die ansonsten blind in der Wachsschicht enden und für Transportprozesse daher nicht zur Verfügung stehen. Aus der Auftragung aller Daten ergibt sich, daß Wasser hauptsächlich über den polaren Weg transportiert wird. Die vorliegenden Daten liefern gleichzeitig eine mechanistische Erklärung für das Auswaschen von Primärmetaboliten aus Blättern, was bereits vor vielen Jahrzehnten beobachtet wurde. Im Verlauf der Arbeit wurden verschiedene Begriffe für den Transportweg der hydrophilen Verbindungen verwendet. Der Ausdruck ‚hydrophiler Weg’ (hydrophilic pathway) ist günstig, da er keinerlei Aussagen über die Beschaffenheit dieses Weges macht. Im Gegensatz dazu beinhalten die in der Literatur präferierten Begriffe ‚polare Pore’ (polar pore) oder ‚wässrige Pore’ (aqueous pore) scheinbar Informationen hinsichtlich der Gestalt dieser Wege. Aus den bisherigen Erkenntnissen lässt sich dennoch ein Vorschlag für die Gestalt des hydrophilen Weges machen. Die Tatsache dass zu Fibrillen aggregierte einzelne Cellulosestränge einen Abstand von ca. 0.8 nm aufweisen, was dem postulierten Porenradius sehr nahe kommt, könnten interfibrilläre Zwischenräume den hydrophilen Weg darstellen. Der Begriff einer ‚Pore’ ist daher möglicherweise gar nicht abwegig. Jedenfalls ist der hydrophile Weg, im Gegensatz zum lipophilen Weg, ein ungewundener Weg, was der Vorstellung einer ‚Pore’ entgegen kommt.

Adjuvants are compounds added to an agrochemical spray formulation to improve or modify the action of an active ingredient (AI) or the physico-chemical characteristics of the spray liquid. Adjuvants can have more than only one distinct mode of action (MoA) during the foliar spray application process and they are generally known to be the best tools to improve agrochemical formulations. The main objective for this work was to elucidate the basic MoA of adjuvants by uncoupling different aspects of the spray application. Laboratory experiments, beginning from retention and spreading characteristics, followed by humectant effects concerning the spray deposit on the leaf surface and ultimately the cuticular penetration of an AI, were figured out to evaluate overall in vivo effects of adjuvants which were also obtained in a greenhouse spray test. For this comprehensive study, the surfactant classes of non-ionic sorbitan esters (Span), polysorbates (Tween) and oleyl alcohol polyglycol ether (Genapol O) were generally considered because of their common promoting potential in agrochemical formulations and their structural diversity. The reduction of interfacial tension is one of the most crucial physico-chemical properties of surfactants. The dynamic surface tension (DST) was monitored to characterise the surface tension lowering behaviour which is known to influence the droplet formation and retention characteristics. The DST is a function of time and the critical time frame of droplet impact might be at about 100 ms. None of the selected surfactants were found to lower the surface tension sufficiently during this short timeframe (chapter I). At ca. 100 ms, Tween 20 resulted in the lowest DST value. When surfactant monomers are fully saturated at the droplet-air-interface, an equilibrium surface tension (STeq) value can be determined which may be used to predict spreading or run-off effects. The majority of selected surfactants resulted in a narrow distribution of STeq values, ranging between 30 and 45 mN m- 1. Nevertheless, all surfactants were able to decrease the surface tension considerably compared to pure water (72 mN m- 1). The influence of different surfactants on the wetting process was evaluated by studying time-dependent static contact angles on different surfaces and the droplet spread area on Triticum aestivum leaves after water evaporation. The spreading potential was observed to be better for Spans than for Tweens. Especially Span 20 showed maximum spreading results. To transfer laboratory findings to spray application, related to field conditions, retention and leaf coverage was measured quantitatively on wheat leaves by using a variable track sprayer. Since the retention process involves short time dynamics, it is well-known that the spray retention on a plant surface is not correlated to STeq but to DST values. The relationship between DST at ca. 100 ms and results from the track sprayer showed increasing retention results with decreasing DST, whereas at DST values below ca. 60 mN m- 1 no further retention improvement could be observed. Under field conditions, water evaporates from the droplet within a few seconds to minutes after droplet deposition on the leaf surface. Since precipitation of the AI must essentially being avoided by holding the AI in solution, so-called humectants are used as tank-mix adjuvants. The ability of pure surfactants to absorb water from the surrounding atmosphere was investigated comprehensively by analysing water sorption isotherms (chapter II). These isotherms showed an exponential shape with a steep water sorption increase starting at 60% to 70% RH. Water sorption was low for Spans and much more distinct for the polyethoxylated surfactants (Tweens and Genapol O series). The relationship between the water sorption behaviour and the molecular structure of surfactants was considered as the so-called humectant activity. With an increasing ethylene oxide (EO) content, the humectant activity increased concerning the particular class of Genapol O. However, it could be shown that the moisture absorption across all classes of selected surfactants correlates rather better with their hydrophilic-lipophilic balance values with the EO content. All aboveground organs of plants are covered by the cuticular membrane which is therefore the first rate limiting barrier for AI uptake. In vitro penetration experiments through an astomatous model cuticle were performed to study the effects of adjuvants on the penetration of the lipophilic herbicide Pinoxaden (PXD) (chapter III). In order to understand the influence of different adjuvant MoA like humectancy, experiments were performed under three different humidity levels. No explicit relationship could be found between humidity levels and the PXD penetration which might be explained by the fact that humidity effects would rather affect hydrophilic AIs than lipophilic ones. Especially for Tween 20, it became obvious that a complex balance between multiple MoA like spreading, humectancy and plasticising effects have to be considered. Greenhouse trials, focussing the adjuvant impact on in vivo action of PXD, were evaluated on five different grass-weed species (chapter III). Since agrochemical spray application and its following action on living plants also includes translocation processes in planta and species dependent physiological effects, this investigation may help to simulate the situation on the field. Even though the absolute weed damage was different, depending both on plant species and also on PXD rates, adjuvant effects in greenhouse experiments displayed the same ranking as in cuticular penetration studies: Tween 20 > Tween 80 > Span 20 ≥ Span 80. Thus, the present work shows for the first time that findings obtained in laboratory experiments can be successfully transferred to spray application studies on living plants concerning adjuvant MoA. A comparative analysis, using radar charts, could demonstrate systematic derivations from structural similarities of adjuvants to their MoA (summarising discussion and outlook). Exemplarily, Tween 20 and Tween 80 cover a wide range of selected variables by having no outstanding MoA improving one distinct process during foliar application, compared to non-ethoxylated Span 20 and Span 80 which primarily revealed a surface active action. Most adjuvants used in this study represent polydisperse mixtures bearing a complex distribution of EO and aliphatic chains. From this study it seems alike that adjuvants having a wide EO distribution offer broader potential than adjuvants with a small EO distribution. It might be a speculation that due to this broad distribution of single molecules, all bearing their individual specific physico-chemical nature, a wide range of properties concerning their MoA is covered. / Adjuvantien sind chemische Verbindungen, die einer Pflanzenschutzformulierung hinzugefügt werden, um die Wirkung der Aktivsubstanz oder die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Spritzbrühe zu verbessern oder zu modifizieren. Sie können mehr als nur einen einzigen bestimmten Wirkmechanismus während der Blattflächenapplikation aufweisen, sodass sie gemeinhin als wirksamste Hilfsmittel in Pflanzenschutzformulierungen benutzt werden. Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag darauf, ihre wesentlichen Wirkmechanismen aufzuklären, indem verschiedene Aspekte der Applikation entkoppelt und unabhängig voneinander untersucht wurden. Hierzu wurden Laborversuche durchgeführt, beginnend mit dem Retentions- und Spreitungsverhalten, über die „humectant“- Eigenschaft, den Tropfenrückstand betreffend und schließlich die kutikuläre Penetration einer Aktivsubstanz. Um schlussendlich die ineinander übergreifenden in vivo Mechanismen von Adjuvantien zusammenfassend bewerten zu können, wurde zusätzlich ein Gewächshausprayversuch ausgeführt. Für diese mechanismenübergreifende Studie wurden aufgrund ihrer allgemein begünstigenden Eigenschaften in Formulierungen und ihrer strukturellen Vielfalt die Tensidklassen der Sorbitanester (Span), Polysorbate (Tween) und Oleylalkoholpolyglykolether (Genapol O) verwendet. Die Absenkung der Grenzflächenspannung ist eine der wesentlichen physikalisch-chemischen Eigenschaften von Tensiden. Die dynamische Oberflächenspannung (DST) wurde untersucht, um das Verhalten beim Absenken der Oberflächenspannung einzuschätzen, welches die Tropfenbildung und die Retentionseigenschaften beeinflusst. Die DST ist zeitabhängig und das kritische Zeitfenster, in dem ein Tropfen auf die Pflanzenoberfläche auftrifft, beläuft sich auf ca. 100 ms. Innerhalb dieses Zeitrahmens konnte keines von den ausgewählten Tensiden die Oberflächenspannung hinreichend herabsetzen (vgl. Kapitel I). Bei ca. 100 ms wies Tween 20 die niedrigsten DST-Werte auf. Bei vollständiger Absättigung der Tropfen-Luft-Grenzfläche durch Tensidmonomere kann eine statische Oberflächenspannung (STeq) bestimmt werden. Diese physikalische Größe kann benutzt werden, um Spreitungs- und „run-off“- Effekte abzuschätzen. Der Großteil der betrachteten Tenside zeigte ähnliche STeq-Ergebnisse zwischen 30 und 45 mN m- 1. Somit waren alle Tenside in der Lage, die Oberflächenspannung von Wasser (72 mN m- 1) beträchtlich abzusenken. Der Einfluss von Tensiden auf den Benetzungsprozess wurde sowohl mit Hilfe von zeitabhängigen, statischen Kontaktwinkelmessungen auf verschiedenen Oberflächen, als auch nach der Wasserverdunstung auf Basis der Spreitungsfläche der Tropfen auf Triticum aestivum Blättern analysiert. Dabei zeigte die Klasse der Spans, besonders Span 20, ein besseres Benetzungsverhalten als die Klasse der Tweens. Um die Erkenntnisse aus dem Labor auf die Sprayapplikation auf dem Feld zu übertragen, wurden Retention und Blattbedeckung quantitativ auf Weizenoberflächen mit Hilfe eines „tracksprayers“ bestimmt. Da der Retention ein sehr schnell ablaufender, dynamischer Prozess zugrunde liegt, korreliert sie nicht mit der statischen, sondern mit der dynamischen Oberflächenspannung. Die Beziehung zwischen DST, bei ca. 100 ms und den „tracksprayer“- Ergebnissen zeigte eine Retentionszunahme bei abnehmender DST. Dabei konnte keine weitere Retentionsverbesserung bei DST-Werten unterhalb von ca. 60 mN m- 1 erzielt werden. Nachdem der Tropfen auf der Blattoberfläche gelandet ist, verdunstet Wasser unter Feldbedingungen aus dem Sprühtropfen innerhalb weniger Sekunden bis Minuten. Da das Auskristallisieren der Aktivsubstanz zwingend vermieden werden muss, werden sog. „humectants“ (dt. Feuchthaltemittel) als Tankmix-Adjuvantien eingesetzt, um die Aktivsubstanz in Lösung zu halten. Die Fähigkeit von Tensiden, Wasser aus der umgebenden Atmosphäre zu binden, wurde mit Hilfe von Wassersorptionsisothermen umfassend analysiert (vgl. Kapitel II). Diese Isothermen zeigten einen exponentiellen Verlauf mit einem steilen Anstieg der Wassersorption, beginnend ab ca. 60 bis 70% RH (relative Luftfeuchte). Dabei zeigten Spans eine geringere Wassersorption als die polyethoxylierten Tenside (Tweens und Genapol O). Die Beziehung zwischen dem Wassersorptionsverhalten und der molekularen Struktur der Tenside wurde als sog. „humectant Aktivität“ betrachtet. Speziell für die Klasse der Genapol O Tenside, wurde mit zunehmenden Ethylenoxidgehalt (EO) eine Zunahme der „humectant Aktivität“ nachgewiesen. Es konnte jedoch auch gezeigt werden, dass die Wassersorption über alle Klassen der hier ausgewählten Tenside eher mit dem „hydrophilic-lipophilic-balance“- Wert (HLB) als mit dem EO-Gehalt korreliert. Die Kutikula ist eine Membran, die alle oberirdischen Pflanzenorgane bedeckt. Damit stellt sie die wichtigste transportlimitierende Barriere für die Aufnahme von Pflanzenschutzmittelwirkstoffen dar. Um die Wirkung von Adjuvantien auf die Penetration des lipophilen Herbizids Pinoxaden (PXD) zu bestimmen, wurden in vitro Penetrationsexperimente durch eine astomatäre Modellkutikula durchgeführt (vgl. Kapitel III). Um den Einfluss verschiedener Wirkmechanismen, wie z.B. die der „humectant“- Eigenschaft zu verstehen, wurden diese Versuche unter drei verschiedenen Luftfeuchtebedingungen durchgeführt. Hierbei konnte kein klarer Zusammenhang zwischen der relativen Luftfeuchte und der PXD-Penetration nachgewiesen werden. Eine Ursache dafür könnte sein, dass sich Luftfeuchteeffekte eher auf hydrophile als auf lipophile Stoffe auswirken. Vielmehr wurde deutlich, dass hier eine komplexe Kombination aus verschiedenen Wirkmechanismen, wie z.B. Spreitungs-, „humectant“- und Weichmachereffekte, zum Tragen kommt. Um den Einfluss von Adjuvantien auf die in vivo Wirkung von PXD zu analysieren, wurden Gewächshausstudien mit fünf verschiedenen Ungräsern durchgeführt (vgl. Kapitel III). Da die Applikation von Pflanzenschutzwirkstoffen auch deren nachfolgende Wirkung auf lebende Pflanzen, wie z.B. Translokationsprozesse in planta und speziesspezifische physiologische Effekte beinhaltet, kann diese Untersuchung helfen, die Situation auf dem Feld besser zu simulieren. Durch die sowohl verschiedenen Pflanzenspezies als auch PXD-Konzentrationen variierte die absolute Schädigung der Ungräser stark. Dennoch kam es zur gleichen Reihenfolge der Auswirkung der Adjuvantien wie in den in vitro Kutikula-Penetrationsversuchen: Tween 20 > Tween 80 > Span 20 ≥ Span 80. Somit konnte in der vorliegenden Arbeit zum ersten Mal gezeigt werden, dass Erkenntnisse aus Laborversuchen, die die Wirkmechanismen von Adjuvantien betreffen, erfolgreich auf die Sprayapplikation auf Pflanzen übertragen werden können. Um eine systematische Herleitung der Wirkmechanismen von Adjuvantien abschließend zusammenzufassen, vergleichen und bewerten zu können, wurde dies mit Hilfe von Netzdiagrammen grafisch dargestellt (vgl. Zusammenfassende Diskussion und Ausblick). Dabei konnten Zusammenhänge zwischen strukturellen Ähnlichkeiten von Adjuvantien und deren Wirkmechanismen gefunden werden. Tween 20 und Tween 80 beispielsweise deckten ein sehr breites Spektrum an Mechanismen ab, zeigten dabei aber keinen herausragenden Wirkmechanismus einen bestimmten Prozess betreffend. Im Gegensatz dazu wiesen die nicht-ethoxylierten Span 20 und Span 80 hauptsächlich nur den oberflächenaktiven Mechanismus auf. Fast alle Adjuvantien, die in dieser Arbeit analysiert wurden, stellen komplexe polydisperse Mischungen dar, denen eine komplizierte Verteilung von EO-Gruppen und aliphatischen Ketten zugrunde liegt. Aus den Ergebnissen der vorliegenden Arbeit kann gemutmaßt werden, dass Adjuvantien mit einer eher breiten EO-Verteilung ein breiteres Anwendungsspektrum bieten können als Adjuvantien mit einer kleineren Verteilung. Es lässt sich vermuten, dass durch das Vorhandensein einer enormen Vielzahl einzelner Moleküle, die jeweils einen individuellen spezifischen physikalisch-chemischen Charakter aufweisen, ein großes Spektrum von Eigenschaften bezüglich der Sprayapplikation abgedeckt wird.

University, Diss., 2004--Bonn.

Göttingen, Univ., Diss., 1996. / Zugl. als: Berichte des Forschungszentrums Waldökosysteme : Reihe A, Bd.136.

Agrochemicals like systemic active ingredients (AI) need to penetrate the outermost barrier of the plant, known as the plant cuticle, to reach its right target site. Therefore, adjuvants are added to provide precise and efficient biodelivery by i.a. modifying the cuticular barrier and increasing the AI diffusion. This modification process is depicted as plasticization of the cuticular wax which mainly consists of very long-chain aliphatic (VLCA) and cyclic compounds. Plasticization of cuticular waxes is pictured as an increase of amorphous domains and/or a decrease of crystalline fractions, but comprehensive, experimental proof is lacking to date. Hence, the objective of this thesis was to i) elucidate the permeation barrier of the plant cuticle to AIs in terms of the different wax fractions and ii) holistically investigate the modification of this barrier using selected oil and surface active adjuvants, an aliphatic leaf wax and an artificial model wax. Therefore, the oil adjuvant methyl oleate (MeO) and other oil derivatives like methyl linolenate (MeLin), methyl stearate (MeSt) and oleic acid (OA) were selected. Three monodisperse, non-ionic alcohol ethoxylates with increasing ethylene oxide monomer (EO) number (C10E2, C10E5, C10E8) were chosen as representatives of the group of surface active agents (surfactants). Both adjuvant classes are commonly used as formulation aids for agrochemicals which are known for its penetration enhancing effect. The aliphatic leaf wax of Schefflera elegantissima was selected, as well as a model wax comprising the four most abundant cuticular wax compounds of this species. Permeation, transpiration and penetration studies were conducted using enzymatically isolated cuticles of Prunus laurocerasus and Garcinia xanthochymus. Cuticular permeability to the three organic solutes theobromine, caffeine and azoxystrobin differing in lipophilicity was measured using a steady-state two-chamber system separated by the isolated leaf cuticles of the evergreen species P. laurocerasus and G. xanthochymus. Treating the isolated cuticles with methanol selectively removed the cyclic fraction, and membrane permeability to the organic compounds was not altered. In contrast, fully dewaxing the membranes using chloroform resulted in a statistically significant increase in permeance for all compounds and species, except caffeine with cuticles of G. xanthochymus due to a matrix-specific influence on the semi-hydrophilic compound. Crystalline regions may reduce the accessibility to the lipophilic pathway across the waxes and also block hydrophilic domains in the cuticle. Knowing that the aliphatic wax fraction builds the cuticular diffusion barrier, the influence of the adjuvants on the phase behaviour of an aliphatic cuticular wax as well as the influence on the cuticular penetration of AIs were investigated. Differential scanning calorimetry (DSC) and Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) were selected to investigate the phase behaviour and thus possible plasticization of pure Schefflera elegantissima leaf wax, its artificial model wax comprising the four most abundant compounds (n-nonacosane, n-hentriacontane, 1-triacontanol and 1-dotriacontanol) and wax adjuvant mixtures. DSC thermograms showed a shift of the melting ranges to lower temperatures and decreased absolute values of the total enthalpy of transition (EOT) for all adjuvant leaf wax blends at 50 % (w/w) adjuvant proportion. The highest decrease was found for C10E2 followed by MeO > OA and C10E8 > MeLin > MeSt. The aliphatic crystallinity determined by FTIR yielded declined values for the leaf and the artificial wax with 50 % MeO. All other adjuvant leaf wax blends did not show a significant decrease of crystallinity. As it is assumed that the cuticular wax is formed by crystalline domains which consist of aliphatic hydrocarbon chains and an amorphous fraction comprising aliphatic chain ends and functional groups, the plasticizers are depicted as wax disruptors influencing amorphization and/or crystallization. The adjuvants can increase crystalline domains using the aliphatic tail whereas their more hydrophilic head is embedded in the amorphous wax fraction. DSC and FTIR showed similar trends using the leaf wax and the model wax in combination with the adjuvants. In general, cuticular transpiration increased after adding the pure adjuvants to the surface of isolated cuticles or leaf envelopes. As waxes build the cuticular permeation barrier not only to AIs but also to water, the adjuvant wax interaction might affect the cuticular barrier properties leading to increased transpiration. Direct evidence for increased AI penetration with the adjuvants was given using isolated cuticles of P. laurocerasus in combination with the non-steady-state setup simulation of foliar penetration (SOFP) and caffeine at relative humidity levels (RH) of 30, 50 and 80 %. The increase in caffeine penetration was much more pronounced using C10E5 and C10E8 than MeO but always independent of RH. Only C10E2 exhibited an increased penetration enhancing effect positively related to RH. The role of the molecular structure of adjuvants in terms of humectant and plasticizer properties are discussed. Hence, the current work shows for the first time that the cuticular permeation barrier is associated with the VLCAs rather than the cyclic fraction and that adjuvants structurally influence this barrier resulting in penetration enhancing effects. Additionally, this work demonstrates that an artificial model wax is feasible to mimic the wax adjuvant interaction in conformity with a leaf wax, making it feasible for in-vitro experiments on a larger scale (e.g. screenings). This provides valuable knowledge about the cuticular barrier modification to enhance AI penetration which is a crucial factor concerning the optimization of AI formulations in agrochemistry. / Um ihren optimalen Wirkort in der Pflanze zu erreichen, müssen Agrochemikalien wie systemische Wirkstoffe zunächst die Kutikula überwinden, die die äußerste Barriere der Pflanze darstellt. Es werden sogenannte Adjuvantien verwendet, die unter anderem die kutikuläre Barriere modifizieren, um eine präzise und effiziente Bereitstellung des Wirkstoffs wie auch eine erhöhte Wirkstoffdiffusion zu ermöglichen. Diese Modifikation wird als Weichmachereffekt der Adjuvantien im kutikulären Wachs verstanden. Die Wachse umfassen hauptsächlich langkettige Aliphaten (VLCA) und zyklische, organische Komponenten. Da die Wachse aus kristallinen, für Wirkstoffe unzugänglichen und amorphen, zugänglichen Bereichen bestehen, wird angenommen, dass der Weichmacherprozess eine Zunahme der amorphen Phase und/oder eine Abnahme der kristallinen Phase hervorruft. Allerdings sind umfassende, experimentelle Beweise bisher nicht verfügbar. Daher lag der Schwerpunkt dieser Arbeit auf i) der Aufklärung, wie die verschiedenen Wachsfraktionen zur kutikulären Permeationsbarriere gegenüber Wirkstoffen beitragen und ii) der ganzheitlichen Untersuchung der kutikulären Penetrationsbarriere hinsichtlich eines aliphatischen Pflanzen- und Modelwachses und des Einflusses ausgewählter Öl- und Tensid-Adjuvantien. Hierfür wurden die Öle Methyloleat (MeO), Methyllinolenat (MeLin), Methylstearat (MeSt) und Ölsäure (OA) und drei monodisperse, nicht-ionische Alkoholethoxylate (C10E2, C10E5, C10E8) mit zunehmender Ethylenoxidmonomerzahl (EO) verwendet. Beide Gruppen sind gängige Hilfsstoffe der Formulierung von Agrochemikalien, die für die Aufnahmebeschleunigung des Wirkstoffs bekannt sind. Das aliphatische Blattwachs von Schefflera elegantissima wurde verwendet wie auch ein Modelwachs, dass die vier Hauptkomponenten dieses kutikulären Blattwachses enthielt. Permeabilitäts-, Transpirations- und Penetrationsstudien wurden unter Verwendung enzymatisch isolierter Kutikeln von Prunus laurocerasus und Garcinia xanthochymus durchgeführt. Die kutikuläre Permeabilität gegenüber drei organischen Stoffen unterschiedlicher Lipophilie (Theobromin, Coffein und Azoxystrobin) wurde an isolierten Blattkutikeln der immergrünen Spezies Prunus laurocerasus und Garcinia xanthochymus mittels des Zweikammersystems im steady-state Zustand gemessen. Die zyklische Wachsfraktion konnte mit Hilfe von Methanol aus den isolierten Membranen extrahiert werden und die Membranen wiesen keine Veränderung in der Permeabilität gegenüber den drei Wirkstoffen auf. Im Gegensatz dazu konnte ein signifikanter Anstieg der Permeabilität für alle Substanzen und Spezies beobachtet werden, nachdem die Membranen vollkommen mittels Chloroform entwachst wurden. Einzig und allein für Coffein und Membranen von G. xanthochymus konnte keine Veränderung des Leitwerts festgestellt werden, was auf einen Matrix-spezifischen Einfluss auf semi-hydrophile Substanzen zurückzuführen ist. Hydrophile Bereiche in der Kutikula können durch kristalline, aliphatische Wachse blockiert werden und sind somit unzugänglich für hydrophile Substanzen. Auf Basis dieses neu gewonnenen Wissens der kutikulären Diffusionsbarriere wurde der Einfluss der Adjuvantien auf das Phasenverhalten eines aliphatischen Wachses wie auch ihr Einfluss auf die kutikuläre Wirkstoffpenetration untersucht. Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) und Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR) wurden verwendet, um das Phasenverhalten des Blattwachses von Schefflera elegantissima, ihres artifiziellen Modelwachses, das die vier Hauptkomponenten n-Nonacosan, n-Hentriacontan, 1-Triacontanol und 1-Dotriacontanol enthielt, und mögliche Weichmachereffekte durch Adjuvantien zu untersuchen. Mittels DSC konnten Schmelzbereiche, die zu niedrigeren Temperaturen verschobenen waren, und verringerte Beträge der Übergangsenthalpien (EOT) für alle Blattwachs-Adjuvantien-Mischungen bei 50 % Adjuvans-Zugabe (w/w) festgestellt werden. Die stärkste Abnahme wurde für C10E2 gefunden, gefolgt von MeO > OA und C10E8 > MeLin > MeSt. Die mittels FTIR bestimmte aliphatische Kristallinität war bei einem MeO-Anteil von 50 % signifikant gegenüber dem puren Blattwachs vermindert. Alle anderen Adjuvantien zeigten keine signifikanten Veränderungen der Kristallinität im Vergleich zum nativen Blattwachs. Es wird angenommen, dass das kutikuläre Wachs aus kristallinen und amorphen Bereichen aufgebaut ist: erstere umfassen aliphatische Kohlenwasserstoffketten, letztere ihre Kettenenden und funktionellen Gruppen. Die Weichmacheradjuvantien können auf diese Bereiche mit einer Erhöhung der amorphen und/oder Erniedrigung der kristallinen Fraktion einwirken. Sie können mit ihrer aliphatischen Kette in die kristallinen Bereiche eindringen und diese erhöhen, wohingegen sich ihr hydrophilerer Kopf in der amorphen Phase verteilen kann. DSC und FTIR zeigten ähnliche Trends für das Pflanzen- und das Modelwachs in Kombination mit den Adjuvantien. Im Allgemeinen wiesen die isolierten Kutikeln und Blattumschläge von P. laurocerasus und G. xanthochymus erhöhte Leitwerte in Verbindung mit den Adjuvantien auf. Da die Wachse nicht nur die Permeationsbarriere für Wirkstoffe, sondern auch für Wasser darstellen, wird angenommen, dass die Wachs-Adjuvans-Interaktion verantwortlich für die erhöhte Transpiration ist. Erhöhte Wirkstoffpenetration durch Adjuvantien wurde mittels des non-steady-state Versuchs der Simulation der Blattpenetration (SOFP) an isolierten, kutikulären Membranen von P. laurocerasus unter Verwendung von Koffein bei relativen Luftfeuchten (RH) von 30, 50 und 80 % nachgewiesen. Die Zunahme der Flussrate unter Verwendung von C10E5 und C10E8 war deutlich höher als für C10E2, jedoch unabhängig von der RH. Nur für C10E2 konnte eine Abhängigkeit des Effekts von der Luftfeuchte festgestellt werden. Die Rolle der molekularen Struktur der Adjuvantien in Bezug auf „Humectant“- und Weichmachereigenschaften wird diskutiert. Die vorliegende Arbeit zeigt zum ersten Mal, dass die kutikuläre Permeationsbarriere mit den VLCAs und nicht mit der zyklischen Fraktion assoziiert ist und dass Adjuvantien wie Öle und Tenside diese Barriere strukturell beeinflussen können, was zu einer erhöhten Penetration führt. Außerdem veranschaulicht diese Arbeit, dass ein artifizielles Modelwachs die Wachs-Adjuvans-Interaktion eines Blattwachses imitieren kann und es gut geeignet für in-vitro Experimente ist, die in größerem Maßstab durchgeführt werden (z.B. Screenings). Das liefert bedeutsames Wissen über die kutikuläre Barriere und ihre Modifikation zur Erhöhung der Wirkstoffpenetration, die wichtige Faktoren in Bezug auf die optimierte Wirkstoffformulierung in der Agrarchemie darstellen.

Um sich vor dem Austrocknen zu schützen, haben Pflanzen eine Transpirationsbarriere entwickelt, die als Membran alle primären, oberirdischen Pflanzenteile überzieht. Diese so genannte Kutikula besteht hauptsächlich aus den lipophilen Komponenten Kutin und Wachs und reduziert so effektiv den Verlust von Wasser und wasserlöslichen Nährstoffen aus dem Blattinneren. Trotzdem ist sie nicht vollständig undurchlässig, und so können Wasser und gelöste Substanzen wie organische und anorganische Nährstoffe, Pestizide oder Umweltchemikalien die Kutikula in beiden Richtungen permeieren. Dabei ist offensichtlich, dass die zu Grunde liegenden Transportmechanismen den Ernährungszustand der Pflanzen, die Effizienz von Pestiziden und die Wirkung von Umweltchemikalien beeinflussen. Ein genaues Verständnis der Transportprozesse auf denen die kutikuläre Permeation basiert, kann helfen die Wirkweise von blattapplizierten Dünge- und Pflanzenschutzmitteln zu optimieren, indem gezielt Wirk- oder Zusatzstoffe modelliert werden können, welche die Aufnahme steigern. In der vorliegenden Arbeit sollte deshalb der Einfluss physiko-chemischer Eigenschaften von hydrophilen Verbindungen auf die kutikuläre Permeation untersucht werden. Nicht zuletzt wegen ihrer strukturellen Ähnlichkeit mit den blattapplizierten Herbiziden Glufosinat und Glyphosat wurden Aminosäuren als Modellsubstenzen ausgewählt. Die verwendeten Aminosäuren sind gut wasserlöslich, wobei alle Oktanol/Wasser Verteilungskoeffizienten kleiner als 1 sind. Zusätzlich liegen alle Aminosäuren in gelöster Form als Ionen vor, was zu einer Hydratisierung der Moleküle führt. Es wird spekuliert, dass hydratisierte Moleküle keinen Zugang zur lipophilen Phase der Kutikula haben. Welche Rolle die Hydrathülle bei der Permeation tatsächlich spielt, ist allerdings noch unklar. Viele Aktivwirkstoffe liegen nur unter ganz bestimmten Bedingungen in geladener Form vor, während die Richtung der kontinuierlichen Nettoladung der Aminosäuren durch den pH Wert modifiziert wird. Damit kann der Einfluss verschiedener Ladungszustände auf die kutikuläre Permeation unter Verwendung eines einheitlichen Sets von Modellsubstanzen untersucht werden. Unter natürlichen Bedingungen sind Aminosäuren unter anderem auf Blattoberflächen zu finden, wo sie blattassoziierten Mikroorganismen eine profitable Nahrungsquelle bieten. Ob äußere Faktoren für die Deposition dieser Recourcen verantwortlich sind, oder ob der Ursprung innerhalb des Blattgewebes liegt, wird kontrovers diskutiert. Die Sorption von Aminosäuren in isolierte Kutikularmembranen ist sehr gering, und korreliert - anders als bei lipophilen Substanzen - nicht mit dem Oktanol/Wasser Verteilungskoeffizienten. Das zeigt, dass der Verteilung von lipophilen und hydrophilen Substanzen innerhalb der Kutikula verschiedene Mechanismen zu Grunde liegen. Unter einer gegebenen Bedingung werden die kutikulären Leitwerte der Aminosäuren negativ vom Molvolumen beeinflusst. Zudem übersteigt die Länge des Permeationswegs die eigentliche Dicke der Membran um ein Vielfaches. Diese Zusammenhänge kennzeichnen eine gehinderte Diffusion innerhalb einer engporigen und weit verzweigten Umgebung. Eine Änderung des pH Wertes wirkt sich in unterschiedlicher Form auf die Leitwerte von Wasser und Aminosäuren aus. Mit steigendem pH Wert erhöht sich die Wasserpermeabilität isolierter Kutikularmembranen, was durch eine zunehmende, messbare Wassersorption in die Kutikula erklärt werden kann. Eine pH abhängige Dissoziation funktioneller Gruppen bewirkt eine Schwellung des polaren Weges, weshalb auch für die anionischen Aminosäuren bei pH 11 die höchsten Leitwerte gemessen wurden. Die zwitterionischen Aminosäuren bei pH 6 wiesen hingegen die geringsten Leitwerte auf, was im Widerspruch zu der Beobachtung steht, dass bei pH 1 die geringste Wassersorption in die Kutikula stattfindet. Eine Erklärung hierfür liefern die Hydrathüllen, die bei den zwitterionischen Aminosäuren am stärksten und bei den anionischen Species am geringsten ausgeprägt sind. Eine negative Korrelation aller gemessenen Aminosäureleitwerte mit den entsprechenden hydratisierten Molvolumen zeigt eindeutig, dass die Hydrathülle eine wichtige Größe für die Permeation durch die Kutikula darstellt. Dabei nimmt der Leitwert einer hydrophilen Substanz mit definiertem Molvolumen mit kleiner werdender Hydrathülle zu. Intakte Blätter wurden in flüssiges Wasser als Rezeptorlösung getaucht, um steady-state Bedingungen aufrecht zu erhalten. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Permeabilitäten von intakten Kutikularmembranen, die anhand der natürlichen Aminosäurekonzentration innerhalb der Blätter bestimmt wurden, in derselben Größenordnung liegen, wie die für isolierte Membranen gemessenen. Außerdem konnte ein Vergleich der Flussraten auf der Ober- und Unterseite der Blätter zeigen, dass die stomatären Poren nicht direkt in den Leachingprozess involviert sind. / In order to overcome the risk of withering, all primary, aerial plant parts are bordered against the atmosphere with a transpiration barrier membrane, the so called cuticle. It is mainly composed of the lipophilic compounds cutin and waxes and therefore ensure an essentially reduction of uncontrolled loss of water and water soluble metabolites from plant tissues. Nevertheless, the cuticle is partially permeable for water and solutes like organic and inorganic nutrients, pesticides or environmental chemicals, and the flow can occur in both directions. It is obvious, that the basic transport processes are important for the survival of plants, agricultural success or environmental pollution. Therefore, the knowledge of the meachanisms, underlying cuticular permeation, can improve the effectiveness of foliar applied nutrients and pesticides, in the way of modelling ideal active ingredients or additives to enhance cuticular uptake. In the present study aminio acids were used as model compounds to understand the influence of the physico-chemical properties of hydrophilic solutes on cuticular permeability. This is not only because of their structural similarity to foliar applied herbicides like glyphosate and glufosinate. Amino acids are water soluble with octanol/water partition coefficients always smaller than 1 and they carry charges. The resulting hydration of the molecules renders them insoluble in the waxy layer of the cuticle and therefore the actual role of the associated hydration shell for cuticular permeation is still questionable. In contrast to many active ingredients, which are ionised only under certain conditions, the continuous net charge of amino acids is modified by pH. This provides an insight into the effect of anionic, zwitterionic and cationic properties on cuticular permeability by using the same set of solutes. Furthermore, amino acids are frequently found on leaf surfaces where leaf associated microorganisms benefit from their nutritional significance. It is still controversial, if amino acids originate from airborne particles or from the underlying leaf tissue. The sorption of amino acids into isolated cuticular membranes was very low and cuticle/water partition coefficients were not correlated to octanol/water partition coefficients, as is true for lipophilic solutes. This proves the existence of two different mechanisms for cuticular penetration of lipophilic and hydrophilic solutes. Under a given condition, permeances were determined by the molar volume of the amino acids and the pathway was much longer than the membrane thickness, which indicates a hindered diffusion in a porous and tortuous environment. Permeances for water and amino acids were affected by pH but in different ways. The water permeance increased with increasing pH which can be explained by a higher water sorption caused by dissociation of weak acidic groups within the cuticle above pH 6. Due to the maximum swelling of the pathway at pH 11 amino acid permeances were highest for the anionic form. Surprisingly, permeances were lowest for the zwitterionic species at intermediate pH and not for the cationic amino acids at pH 1 where the least water sorption occurs. The reason becomes obvious, when - next to the molar volume of the amino acids - the hydration shell is taken into account. Since the zwitterionic species at pH 6 possess the biggest and the anionic amino acids the smallest hydration shells, overall permeances are well correlated with the hydrated molar volume. Thus, it was shown that the hydration shell plays an important role in cuticular permeability in the way that smaller hydration shells favour an increase in permeances, given that the molar volume of the “naked” molecule remain constant. One exception was found for the amino acid permeability of isolated rose cuticles at pH 1. The fact, that under this condition, permeances are partially controlled by octanol/water partition coefficient shows clearly, that the lipophilic and the hydrophilic pathway are not strictly separated from each other. Amino acids with large lipophilic side chains can also benefit from partitioning within the lipophilic phase of the cuticle. It is still a matter of debate, if permeation experiments with isolated cuticular membranes reflect the real situation in intact plants, because isolation processes could alter cuticular properties. To proof the authority of this set up, additional leaching experiments were performed with intact leafs. It was shown that permeances of intact cuticles, which were driven by the natural amino acid content in the leaf tissue, are in deed in the same order of magnitude as for isolated cuticular membranes, when liquid water was used as receiver. Furthermore, a comparison between fluxes from the upper and the lower leaf side showed that stomatal pores are not directly involved into the leaching process.