Folien zu Oekotoxikologie der Metalle in Gewässern - Eawag

Ökotoxikologie der Metalle
Renata Behra

Warum sind Metalle ökotoxikologisch wichtig?
Potentiell toxisch für aquatische und terrestrische
Organismen und für den Mensch
Verbreitete Metallbelastung der Umwelt
Persistent
Essentielle Metalle/Metalloide
und nicht essentielle Metalle/Metalloide

Metalle in der Umwelt: Unfälle
Baia Mare, Rumänien, 2000, 100’000 m3 Abfall aus Minengebiet, Metallcyanid in
Szamos, Tisza, Danube, Vernichtung der aquatischen Lebewelt, Akkumulation
von Cyanid und Metalle entlang der Nahrungskette.
Aznacollar, Andalusien, Spanien, 1998, 5 Millionen m3 Schlamm, Metallmischung
aus Minengebiet ins Guadiamar River, Belastung von 6000 Hektaren Land
Vernichtung der aquatischen Lebewelt, Akkumulation der Metalle entlang der
Nahrungskette.
Minamata, Japan, 1910-60er, Produktionsabfälle mit Vinylchlorid und
Methylquecksilber ins Abwasser, Belastung der Minamata-Bucht, Hg Akkumulation
in Fische, schwere bleibende Schäden an die Bevölkerung.
Kamioka, Japan, 1940-60er, Abfälle aus Minenregion, Atmosphäre-, Boden-
und Gewässerbelastung mit Kadmium, Akkumulation via Boden, Reis, Mensch.
Knochenbrüche (Itai-Itai-Krankheit) .

Lebensnotwendig und giftig
Essentielle Metalle und Metalloide:
As, Cr, Co, Cu, Fe, Mn, Mo, Ni, Se, Si, Sn, V, Zn
Nicht-essentielle Metalle und Metalloide:
Ag, Au, Cd, Hg, Pb, Sb…..
nicht-essentiell
essentiell
Metallkonzentration

Lebensnotwendig oder giftig ?
Beispiel : Algenwachstum mit Kupfer
Wachstum
Limitation Optimum Inhibition
log [Cu 2+ ] -15 -13 -11 -9 -7
(M)
C. reinhardtii
C. fusca
S. subspicatus

Elemente als Co-Faktoren von Enzymen.
Prozentualer Anteil von Enzymen bekannter
Struktur, die das entsprechende Me brauchen.
Waldron et al. 2009
Das Verhältnis von Proteinen, die das gezeigte Me in jeder
der 6 Enzymklassen brauchen, :
oxidoreductases (EC 1), blue; transferases (EC 2), yellow;
hydrolases (EC 3), purple; lyases (EC 4), pink;
isomerases (EC 5), green; ligases(EC 6), grey.
EC, Enzyme Commission.

Kupfer als Co-Faktor in Plastocyanin
Plastocyanin ist ein kleines Kupferprotein in Algen, grünen Pflanzen und einigen
Cyanobakterien, das eine wichtige Rolle bei der Photosynthese spielt. Es transportiert
Elektronen von dem Cytochrom-b6f-Komplex zum Photosystem I.

Interaktion von Metallen mit Organismen
Aufnahme
Me
Adsorption
Verteilung Effekte
Exkretion

Wasser
Nahrung
Einzell-Organismen
Multizelluläre Organismen
Aufnahmewege
Direkt durch die Membran
Haut
Magen-Darm Trakt
Lungen
Kiemen
Wurzeln, Blätter

Die Aufnahme und Toxizität von Metallen
In Abhängigkeit der chemischer Zusammensetzung eines Gewässers,
kommen Metalle in verschiedenen chemischen Formen vor, die nicht alle
bioverfügbar sind.
Die Bioverfügbarkeit von Metallen wird durch die Speziierung der Metallen
beeinflusst, wobei das freie Metallion und lipophile Spezies
(metallorganische Verbindungen, ungeladene anorganische
Metallkomplexe) für Organismen verfügbar sind.
Totalkonzentrationen von Metallen in Gewässern geben wenig Auskunft
über potentielle Schäden für Organismen

Abiotische und biotische Faktoren beeinflussen die
Bioverfügbarkeit der Metallen
Komplexierung durch organische und anorganische Liganden
pH-Effekte
Metall-Metall Interaktionen
Biotransformationen
Die wesentlichen Faktoren welche den Toxizitätsverlauf beeinflussen
sind auch diejenigen, welche die chemische Speziierung der Metalle
beeinflussen

Akkumulation von Cd in Scenedesmus vacuolatus
log Cd accumulation
(mol Cd/cell)
-15
-16
-17
-18
-19
-20
-21
-22
Talaquil
Furtbach
Lake Greifen
-23
-15 -14 -13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6
log [Cd 2+ ]
Töpperwien, 2006

Aufnahme und Verteilung von Metallen in Zellen
Membrantransporter
Chaperones
Metalloproteine
Me Speicher Proteine
Andere Biomoleküle

Aufnahme und Verteilung von Metallen: Membrantransporter
Membrantransporter

Metall-Metall Interaktionen
+ Cu
Kompetition verschiedener Metalle für die Aufnahme von radioaktiven Silber in Kiemenzellen
Bury et al., 2003. The Journal of Experimental Biology 206, 11-23

Die Effekte von Metallen auf Organismen
Effekte auf Wachstum, Entwicklung
und Reproduktion
Effekte auf Immun-, Nerven-, hormonelles
und genetisches System
Effekte auf den Stoffwechsel
Schädliche Effekte auf DNA, Proteine
Metall in Zellen
Detoxifizierungsmechanismen, Reparaturmechanismen
und Toxizitätsmechanismen bestimmen die Effekte auf der Fitness der Organismen.

Mechanismen der Metalltoxizität
Blockierung funktioneller Gruppen in Biomolekülen
Verdrängung essentieller Metallionen aus ihren Liganden
Modifikation der aktiven Konformation von Biomolekülen
Produktion von Radikalen
• Enzyminhibition
• Änderung des Redoxzustandes der Zelle
• Oxidativer Stress, Lipid Peroxidaton
• Aktivierung zellulärer Schutz- und Reparaturmechanismen

ROS und oxidativer Stress
•ROS sind Produkte des normalen Stoffwechsels aller aeroben Zellen; sie
entstehen vorallem in den Mitochondrien und Chloroplasten.
•Die Synthese von ROS wird durch viele Schadstoffe und Metallen
induziert.
•Oxidative Stress: ROS (reactive oxygen species) induzierter zellulärer
Schaden.
Alle Organismen haben
Verteidigungsmechanismen
entwickelt (Scavengers,
Antioxidantien).

Metall- induzierte Synthese von ROS in Algen
Ilona Svizak, 2008

Mechanismen der Metalldetoxifizierung
Limitierung der Metall Akkumulation
Kontrolle der extrazellulären Speziierung durch Ausscheidung von Liganden
Reduzierte Metallaufnahme durch Regulation von Transportsystemen
Verstärkte Metallausscheidung
Regulation der intrazelluläre Speziierung
Metall-Immobilisierung durch Bindung an Liganden
Ausfällung
Sequestrierung in Lysosomen
Metalltransformation
Induktion von detoxifizierenden Enzymen
DNA Reparatur, Antioxidantien

Metallothioneinen
Metallothioneinen (MT) sind multifunktionale Stressproteine, darunter für
die Bindung, Entgiftung und Speicherung von metallischen
Spurenelementen verantwortlich.
Verschiedene Metallen induzieren die Synthese von MT
Andere Faktoren induzieren die Synthese von MT:
Fortpflanzungsentwicklung, Kälte-Stress,
Schadstoffe die oxidativen Stress auslösen
Zur Interpretation von MT Daten bedarf es zusätzlicher Informationen:
welche Metalle binden an MT?
Metallakkumulation und Zusammenhang mit Umweltkonzentrationen

Phytochelatinen
•Phytochelatinen (PC) sind kleine Polypeptide, die als Reaktion auf
Schwermetalle in Pflanzen und Pilzen gebildet werden.
•Generelle Struktur: γ-(Glu-Cys)n-Gly, n ≥ 2.
• Sie binden mit den Sulfhydryl-Gruppen ihrer Cysteine die Metall-
Ionen werden mit ihnen in die Vakuole transportiert.
Glu Cys Glu Cys Glu Cys Gly Glu Cys Glu Cys Glu Cys Gly
S S S S S S
Cd Cd
Cd
S S S
S S S
Glu Cys Glu Cys Glu Cys Gly Glu Cys Glu Cys Glu Cys Gly
[Cd 3 (PC 3 ) 4 ] Komplex
γGluCysGly (Glutathione)
Cd
PC - Cd
PC synthase
Cytosol
PC- Me
vacuole

amol PC 2 / cell
Induktion von Phytochelatinen in Algen durch Blei
35
30
25
20
15
10
5
PC 2
0
0 100 200
Time (min)
300 400
pPb = -log [Pb 2+ ]
pPb7
pPb7.5
pPb8
pPb9
pPb10
pPb11
Control
amol PC 3 /cell
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
PC 3
0.0
0 100 200
Time (min)
300 400
pPb7
pPb7.5
pPb8
pPb9
pPb10
pPb11
Control
Scheidegger et al.2011

Anpassung an chronischer Metallbelastung
- biochemische Anpassung der Individuen (Aufnahme, Detoxifizierung)
- in den Populationen Dominanz der toleranten Individuen
- in Gemeinschaften Dominanz der toleranten Arten
Erhöhte Toleranz der Population gegenüber des Metalles
Verminderung der genetischen Variabilität
Beeinträchtigung der Gemeinschaftsstruktur
Zunahme der Toleranz gegenüber Metalle
Erhöhung der Toleranz der Gemeinschaft gegenüber Metalle
die die Gemeinschaft umstrukturiert haben

Toleranz von Algen gegenüber Kupfer
Mikrokosmen
Periphyton
O. nephrocytioides
Toleranz in Algengemeinschaften nach 7
wöchiger Exposition an:
0.01 µM Cu (Low-Cu Periphyton)
5 µM Cu (High-Cu Periphyton)
Photosynthese, % of control
100
50
High Cu Periphyton
Low Cu Periphyton
0 50 100 150 200
Cu in Toleranz-Test, µM

As x 10 -8 M
PICT in Umweltstudien: Beispiel
Arsenkonzentrationen in 3 Seen (Horn Pond, Upper Mystic Lake,
Halls Brook Storage Are) und Toleranz von Phytoplankton gegenüber
Arsenat und Arsenit
7
6
5
4
3
2
1
0
As V
As III
HP UML HBSA
EC50 of As V, M
1.0E-5
8.0E-6
6.0E-6
4.0E-6
2.0E-6
1.0E-7
HP UML HBSA
Erhöhte As(V) Toleranz in Seen die
mit As(V) belastet sind.
As(III) Toleranz in allen Seen gleich

% Photosynthesis
Beziehung zwischen Struktur und Toleranz
100
50
Low Cu Periphyton
0 50 100 150 200
Cu in tolerance test, µM
Relative abundance
100
80
60
40
20
Chlorophyta
Cu
% Photosynthesis
100
< 5 % > 60 %
50
Oocystis nephrocytioides
High Cu Periphyton
0 50 100 150 200
Cu in tolerance test, µM

Photosynthesis
Co-Toleranz
Bezeichnet die erhöhte Toleranz gegenüber eines Metalles an dem die
Organismen zuvor nicht exponiert wurden.
Soldo et al., 2000
Langzeitige Effekte von Cu auf die Toleranz gegenüber Ag and Zn
Control
0.5 µM Cu
5 µM Cu
Ag in short-term tests, µM Zn in short-term tests, µM

Synthetische Metallnanopartikel
Metalloxide NP (SiO 2, TiO 2, Al 2O 3, ZnO, Fe 2O 3, Fe 3O 4)
Metall NP (Au, Ag, Fe)
Quantum dots
Au/ZnO Nanowires
Quantum dots
AgNP

Auflösung von Metallnanopartikeln
Ag 0
Ag +
Umwelt

Toxizität von Metall NP und Metallionen?
Me 0
Auflösung
Bioverfügbarkeit
Me +
Partikel Metallion

Effekte von AgNP auf die Fotosynthese in Anwesenheit
eines starken Silberligand.
10 µM AgNP
± 500 nM cysteine
+
100
80
60
40
20
0
Fotosynthese %
cys = 0 cys = 500
Ag + bestimmen die Effekten

Effekte von Silber NP und Silberionen auf die Fotosynthese
AgNP
+
Ag + Ionen
+
% Fotosynthese Ausbeute
120
100
80
60
40
20
0
AgNP
Ag + , nMol L -1
Ag + Ionen
10 -4 10 -3 10 -1 1 10 10 +2 10 +3 10 +4 10 +5
Die Toxizität der NP ist höher als die der Silberionen
Infotag 2009
Navarro et al., EST. 2008, 42, 8959–8964

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Renata Behra
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Environmental Toxicology
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