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