wie pflanzen und pilze mit toxischen schwermetallen ... - Uni-Halle

3/03
Uni
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scientia halensis 3/2003
WISSENSCHAFTS
JOURNAL
der
Martin-Luther-Universität
Halle-Wittenberg
Chemie, Biochemie und
Biotechnologie in Halle
Von der Kirche in die
Klinik: Weihrauch
Beobachtung von Enzymen
bei der Arbeit
Durch das Nadelöhr der
Arzneimittelforschung
scientia halensis

scientia halensis 3/2003
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Fachbereich Biochemie/Biotechnologie
NICKEL-CADMIUM – NICHT NUR IN BATTERIEN SPANNEND:
WIE PFLANZEN UND PILZE MIT TOXISCHEN SCHWERMETALLEN LEBEN KÖNNEN
Gerd-Joachim Krauß und Dirk Wesenberg
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Unsere Region ist durch ernste Umweltprobleme gekennzeichnet. So führte jahrhunderte-
26 langer Abbau von Kupferschiefer und dessen Verhüttung im Mansfelder Land zu großflächigen
Schwermetallbelastungen. Mit der Wirkung dieser abiotischen Umweltfaktoren
auf Pflanzen und Pilze insbesondere in aquatischen Systemen befasst sich die Abteilung
Ökologische und Pflanzen-Biochemie am Institut für Biochemie. Ziel der Arbeiten ist es,
ökologisch relevante Stresssituationen zu verstehen und Gefährdungspotenziale im Zusammenhang
mit Schwermetallbelastungen abzuschätzen.
Schwermetalle in Lebensräumen
Zu den Schwermetallen werden mehr als 40
Elemente des Periodensystems gezählt, deren
Dichte > 5 g cm -3 ist. Viele davon sind
zur Aufrechterhaltung von Stoffwechselvorgängen
lebensnotwendig. Die Konzentration
dieser Spurenelemente muss jedoch
sehr fein abgestimmt werden (Schwermetallhomöostase),
da sie sonst als Gifte wirken.
Zudem können toxische, von Organismen
nicht benötigte, Schwermetalle große
Schäden anrichten, weil zelluläre Transportmechanismen
sie »verwechseln«. So
konkurriert beispielsweise das giftige Cadmium
(Cd) mit dem essenziellen Zink.
Schwermetalle kommen in großen Mengen
in der Erdkruste vor. In der Biosphäre stieg
ihre Konzentration seit dem Beginn der Industrialisierung
stetig an. Im Gegensatz zu
organischen Xenobiotika, die abgebaut werden
können, stellen uns Schwermetalle jedoch
vor dauerhafte Schwierigkeiten. Anzustreben
sind daher der sparsame Umgang
mit und die wiederholte Nutzung von
Schwermetallen (quecksilberfreie Batterien;
Recycling von Nickel-Cadmium-Akkumulatoren).
In bereits kontaminierten Bereichen
gilt es, überschüssige Schwermetalle
zu binden und sie dann aus dem Lebensraum
zu entfernen.
Pflanzen unter Stress
Organismen reagieren auf Stresssituationen
mit spezifischen physiologisch-biochemischen
Antworten. Hierzu forschen wir gemeinsam
mit anderen Arbeitsgruppen im
DFG-Graduiertenkolleg »Adaptive physiologisch-biochemische
Reaktionen auf
ökologisch relevante Wirkstoffe«. Im Zusammenhang
mit einer möglichen Entgiftung
belasteter Böden und Gewässer untersuchen
wir Schwermetall-tolerante terrestrische
und aquatische Moose sowie Pflanzen,
die aufgrund besonderer Anpassungsstrategien
hohe Konzentrationen toxischer
Metalle nicht nur tolerieren, sondern auch
akkumulieren können.
Zur Regulierung des Schwermetallgehaltes
können lebende Zellen a) schwermetallbin-
dende Substanzen synthetisieren, b) Metalle
in Zellorganellen einschließen und so
von lebensnotwendigen Vorgängen abgrenzen
sowie c) ihren Stoffwechsel komplett
umstellen. Ein in Pflanzen und Pilzen weit
verbreiteter Abwehrmechanismus ist die
Synthese von metallbindenden schwefelhaltigen
Verbindungen (Thiolpeptiden),
insbesondere von Phytochelatinen (PC)
(Abb. 1). Diese werden enzymatisch aus
Glutathion (GSH), einem zentralen Stoffwechselprodukt,
gebildet.
Wir konnten zeigen, dass sich im Gegensatz
zu höheren Pflanzen der GSH-Gehalt
in vielen Moosen unter Cd-Stress deutlich
erhöht, ohne dass Phytochelatine nachweisbar
wären: Ein für das Pflanzenreich
bisher einmaliger Befund! Wir nehmen an,
dass Glutathion bei diesen Moosen als
zelluläres metallbindendes/-speicherndes
Molekül fungiert. Dies ist schwer zu verifizieren.
Wir konnten jedoch Cd intrazellulär
sowohl als freies Metall als auch über
Thiolgruppen gebunden nachweisen. Aus
weiteren Untersuchungen, beispielsweise
mit Sterilkulturen des Mooses Physcomitrella
patens, erhoffen wir uns Einblicke in
das Netzwerk von Schwermetallverwertung
und -homöostase. Es laufen Untersuchungen
zur Regulation von Sulfatassimilation
und intrazellulärem Cd-Transport.
Nach Entnahme des Inhalts einzelner Zel-
Abb. 2: Hoch Schwermetall-belastetes Halden-Sickerwasser
im Mansfelder Land (u. a.
>2g Zink/L Wasser). Insert: Sporen dort isolierter
aquatischer Pilze
len unter dem Mikroskop (im Pikoliterbereich)
werden Substanzmuster mittels Kapillarelektrophorese
aufgenommen.
Metalltoleranz von Wasserpilzen
Pilze bestimmen wesentlich das ökologische
Leistungspotenzial in Gewässern. In
stark Zink-, Kupfer-, Cadmium- und Bleihaltigen
Sickerwässern aus Armerz- und
Schlackehalden konnten wir gemeinsam mit
dem Umweltforschungszentrum Leipzig-
Abb. 1: Schema zur Cd-Entgiftung in Pflanzenzellen durch Cysteinreiche Peptide und Proteine

Halle erstmals aquatische Hyphomyceten
nachweisen (Abb. 2). Diese Pilze erfüllen
ihre ökologische Rolle, den Blattbau, selbst
unter extremer Schwermetall- und Organika-Belastung.
Untersuchungen mit Pilzstämmen aus diesen
kontaminierten Standorten belegen individuelle
genetische und physiologische
Adaptationen an unterschiedlich belastete
Lebensräume (Redoxstatus, Sulfatassimilation,
thiolreiche Peptide, Stressproteine,
extrazelluläre Enzyme). Weitere Forschungen
werden uns auch Hinweise auf das
mögliche Bioremediations-Potenzial dieser
Organismen geben.
Unsere wissenschaftlichen Arbeiten wer-
den über ein deutsch-kanadisches Netzwerk
(Ecosystem Health) des BMBF sowie
das SUREMA-Global Network des
Universitätszentrums für Umweltwissenschaften
(Land Sachsen-Anhalt) maßgeblich
unterstützt.
Gerd-Joachim Krauß studierte 1963 bis
1968 Biologie in Halle, wurde 1971 promoviert,
war dann wissenschaftlicher Mitarbeiter
am Institut für Biochemie, 1987
Habilitation. 1992 folgte er dem Ruf an die
Martin-Luther-Universität und ist seit
1993 Leiter der Abteilung Ökologische und
Pflanzen-Biochemie. 1995 bis 2003 war er
Prodekan des Fachbereichs, seit 1997 ist
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scientia halensis 3/2003
Fachbereich Biochemie/Biotechnologie
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er Sprecher des DFG-Graduiertenkollegs
»Adaptive physiologisch-biochemische Reaktionen
auf ökologisch relevante Wirkstoffe«.
Mit Beginn des Wintersemesters
2003 übernahm er das Amt des Dekans
am Fachbereich Biochemie/Biotechnologie.
Dirk Wesenberg studierte 1991 bis 1997
Biochemie in Halle und Jena, war danach
wissenschaftlicher Mitarbeiter in Jena, von
2000–2002 Projektleiter an der Université
Catholique de Louvain (Belgien), wurde
2003 in Zittau promoviert und ist seit 2002
wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung
Ökologische und Pflanzen-Biochemie.
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