CO₂ & Photosynthese Cannabis (A/Ci-Kurve)

Kurzdefinition

Die A/Ci-Kurve (Netto-Assimilation vs. interzellulärer CO₂-Konzentration) beschreibt Cannabis' Photosynthesereaktion auf CO₂: der CO₂-Kompensationspunkt liegt bei ~50 ppm, der Sättigungspunkt bei ~1000–1200 ppm (Ambient PPFD) bis ~1500 ppm (bei > 800 µmol m⁻² s⁻¹); Chandra et al. (2008, 2011) dokumentierten für Cannabis den typischen C3-Kurvenverlauf mit optimaler Photosynthese bei 25–30°C und 1500 µmol m⁻² s⁻¹ PPFD; CO₂-Enrichment steigert WUE durch simultane A-Erhöhung und gs-Senkung.

Wissenschaftliche Beschreibung

A/Ci-Kurvenphasen (Farquhar-von Caemmerer-Berry-Modell):

Phase 1 — RuBisCO-limitiert (niedrige Ci): Bei niedrigem Ci (< 200 ppm): CO₂ am RuBisCO-Aktionszentrum ist limitierend → Steigerung von Ci → lineare A-Steigerung (Initial-Slope = Vc_max = maximale Carboxylierungsrate). Vc_max für Cannabis (Chandra 2008): ~60–100 µmol m⁻² s⁻¹ (temperaturabhängig).

Phase 2 — Elektronentransport-limitiert (mittlere Ci): Bei mittlerem Ci (200–600 ppm, Umgebungs-CO₂-Bereich): RuBP-Regeneration durch Elektronentransport begrenzt (J_max). A flacht ab → die meisten modernen Cannabis-Pflanzen befinden sich bei ambient CO₂ (~420 ppm) am Übergang Phase 1/2, was erklärt, warum CO₂-Enrichment besonders wirksam ist.

Phase 3 — TPU-limitiert (hohe Ci): Bei sehr hohem Ci (> 800–1000 ppm bei ambient PPFD): Triose-Phosphat-Utilisation (TPU) = Export aus dem Chloroplasten limitiert → A-Plateau. TPU-Limitierung verschiebt sich mit höherem PPFD nach oben → bei 1500 µmol m⁻² s⁻¹ PPFD ist A-Sättigungs-CO₂ ~1200–1500 ppm.

Cannabis CO₂-Kompensationspunkt (Γ*): Tolbert (1995) und allgemeine C3-Daten: Γ* ≈ 50 ppm CO₂ bei 21 % O₂, 25°C (CO₂-Konzentration wo A_brutto = R_dark). Unterhalb von ~50 ppm: negative Kohlenstoffbilanz → Pflanze veratmet mehr als sie fixiert → in vollständig dichten Räumen ohne CO₂-Nachschub: CO₂-Depletion möglich (Nacht) aber unter Tageslicht: Pflanze verbraucht CO₂ bis ~50 ppm bevor Photosynthese stoppt.

Cannabis-spezifische A/Ci-Daten:

Quellen: Interpoliert aus Chandra 2008 + allgemeine C3-Literatur; cannabis-spezifische A/Ci-Kurven begrenzt verfügbar.

A/Ci-Kurve und Temperatur: Chandra et al. (2008) zeigten Temperaturabhängigkeit der A/Ci-Kurve: Vc_max steigt mit T bis ~30–35°C; Photorespiration steigt ebenfalls mit T (O₂-Löslichkeit sinkt weniger als CO₂-Löslichkeit → mehr Oxygenierung). CO₂-Enrichment ist bei höheren T vorteilhafter, weil Oxygenierungsreaktion durch höheres CO₂:O₂-Verhältnis stärker gehemmt wird.

CO₂-Depletion in geschlossenen Räumen: Ohne Frischluftzufuhr: Cannabis verbraucht CO₂ während der Lichtphase: - Typische CO₂-Aufnahmerate: 1–2 g CO₂ m⁻² h⁻¹ = 0,5–1 L/m²/h - Raum 20 m³ (2m × 2m × 5m): Startkonzentration 420 ppm = 420 × 10⁻⁶ × 20000 L ≈ 8,4 L CO₂ - 3 m² Kronendach: Verbrauch 3 × 0,75 L/h = 2,25 L/h - Nach 3–4 h: CO₂ unter 300 ppm → signifikante Photosynthese-Einschränkung - Nach 6 h: Nahe Kompensationspunkt → kaum noch Wachstum möglich

Konsequenz: Growräume ohne Frischluftzufuhr oder CO₂-Supplementierung sind photosynthetisch stark eingeschränkt. Mindestventilatipn: 1× Raumvolumen/h Frischluft erhält CO₂ nahe Ambient.

Biologische Auswirkungen

1. CO₂-Depletion: Ohne Frischluftzufuhr fällt Growraum-CO₂ unter 300 ppm → Wachstum halbiert
2. CO₂-Enrichment-Potenzial: +40 % Netto-Assimilation bei 1000–1500 ppm vs. Ambient (bei ausreichend PPFD + Temperatur)
3. WUE-Verbesserung: Chandra 2011: gs↓ + A↑ unter erhöhtem CO₂ → WUE erheblich verbessert (konzentrierteres Wachstum bei weniger Wasserverbrauch)

Anbau-Relevanz

• CO₂-Monitor als Basisausrüstung: NDIR-Sensor in jedem Growraum → sofortige Diagnose von CO₂-Depletion (< 350 ppm = Problem)
• Frischluft-Mindestmenge: 1–2 × Raumvolumen/h → CO₂ nahe Ambient; für Enrichment: Sealed-Room oder Rezirkulation mit CO₂-Injektion
• CO₂ und Photoperiodenwechsel: Nacht: Pflanzen atmen CO₂ aus (Respiration) → CO₂ akkumuliert → geöffneter Raum kann nächtlich auf 600–800 ppm steigen → für Tageslicht-Photosynthese irrelevant; nur Tageslicht-CO₂ zählt
• Mythos: "CO₂ nachts hilft der Pflanze" — Photosynthese ist lichtabhängig; nachts kein CO₂-Nutzen für Assimilation; nächtliche CO₂-Supplementierung sinnlos

Verwandte Begriffe

• co2-duengung-enrichment — Praktisches CO₂-Enrichment-Protokoll
• co2-ppfd-kopplung — PPFD-Kopplung ist Voraussetzung für CO₂-Nutzen
• rubisco-photorespiration — RuBisCO-Mechanismus und Photorespiration

Quellen

• Chandra S et al. (2008) Photosynthetica 46:577–587. PMID: 3550578. DOI: 10.1007/s11099-008-0087-x
• Chandra S et al. (2011) Physiol Mol Biol Plants 17:261–272. DOI: 10.1007/s12298-011-0066-6
• Rodriguez-Morrison V et al. (2021) Front Plant Sci 12:646020. DOI: 10.3389/fpls.2021.646020
• Tolbert NE (1995) PNAS 92:11230–11234. PMC40605. DOI: 10.1073/pnas.92.24.11230
• Pepe M et al. (2021) A Noninvasive Gas Exchange Method to Test and Model Photosynthetic Proficiency and Growth Rates of In Vitro Plant Cultures: Preliminary Implication for Cannabis sativa L. PMID: 34046049
• Kaiser E et al. (2017) Elevated CO2 increases photosynthesis in fluctuating irradiance regardless of photosynthetic induction state. PMID: 29045757
• Chandra S et al. (2011) Photosynthetic response of Cannabis sativa L. to elevated levels of CO2. PMID: 23573021

In-vitro-Photosynthese und CO₂-Dynamik bei Cannabis

Nichtinvasive Gaswechsel-Methode für in-vitro-Kulturen: Pepe et al. (2021, PMID: 34046049) entwickelten eine nichtinvasive Methode zur Messung der photosynthetischen Leistung von in-vitro-Cannabis-Kulturelen. Unter kontrollierten CO₂-Bedingungen (400 und 1200 ppm) und kalibrierter Lichtintensität zeigten die Autoren, dass die Netto-Caustauschrate (NCER) von Cannabis-Pflanzchen bei erhöhtem CO₂ signifikant steigt. Die Studie belegt, dass in-vitro-Cannabis-Kulturen autotroph wachsen können, wenn ausreichend CO₂ und Licht bereitgestellt werden.

CO₂ und fluktuierende Lichtbedingungen: Kaiser et al. (2017, PMID: 29045757) untersuchten den Effekt von erhöhtem CO₂ auf die Photosynthese unter fluktuierenden Lichtbedingungen. Die Ergebnisse zeigen, dass elevated CO₂ die Photosynthese unabhängig vom photosynthetischen Induktionszustand erhöht. Für den Indoor-Cannabis-Anbau bedeutet dies, dass CO₂-Enrichment besonders effektiv ist, wenn die Lichtintensität variiert.

Spezifische CO₂-Antwort von Cannabis sativa: Chandra et al. (2011, PMID: 23573021) charakterisierten erstmals die photosynthetische CO₂-Antwort von vier medizinischen Cannabis-Sorten. Alle Sorten zeigten eine signifikante Steigerung der Netto-Photosynthese bei CO₂-Enrichment über 1000 ppm, wobei die Steigersorte sortenspezifisch variierte.

Praxisanwendung: CO₂-Enrichment-Protokoll für Indoor-Grows

Basierend auf der aktuellen Literatur lässt sich ein optimiertes CO₂-Enrichment-Protokoll für Indoor-Cannabis-Anbau ableiten: (1) Vegetative Phase: 800–1000 ppm CO₂ bei PPFD 400–600 µmol m⁻² s⁻¹; (2) Blüte Phase Wochen 1–3: 1000–1200 ppm CO₂ bei PPFD 800–1000 µmol m⁻² s⁻¹; (3) Blüte Phase Wochen 4–8: 1200–1500 ppm CO₂ bei PPFD 1000–1500 µmol m⁻² s⁻¹; (4) Finale Woche: Reduktion auf 400–600 ppm für verbesserte Resinqualität. Die Kombination mit optimalem VPD-Management (0,8–1,2 kPa) und Temperaturkontrolle (25–28°C Tag) maximiert den CO₂-Nutzen.