Bakterien und Schwermetall-akkumulierende Pflanzen

Die Phytosanierung beruht auf der Verwendung von Pflanzen zur Sanierung von kontaminierten Böden. Eine spezielle Form der Phytosanierung stellt die Phytoextraktion dar, bei der Pflanzen verwendet werden, um schädliche Konzentrationen von Schwermetallen aus kontaminierten Böden zu entfernen. Die Weide (Salix caprea L.) ist auf Grund ihres schnellen Wachstums und ihrer hohen Biomasseproduktion eine vielversprechende Pflanze für Anwendungen der Phytoextraktion. Weidenklone mit einem hohen Akkumulierungspotenzial von Zn und Cd wurden in einem vorangegangenen Projekt identifiziert. Weiters wurden 346, mit der Weide assoziierte Bakterienstämme isoliert und charakterisiert. Einige Untersuchungen sowie die Ergebnisse des Projektkonsortiums zeigen, dass die Pflanzen-assoziierte Mikroflora einen wesentlichen Einfluss auf die Schwermetallakkumulierung in der Pflanze ausübt. Bakterien sind in der Lage über verschiedenste Mechanismen die Schwermetalakkumulierung zu beeinflussen. Einerseits können sie schwer verfügbare Schwermetallkonzentrationen im Boden mobilisieren, andererseits könnten sie die Genexpression in der Pflanze und somit die Schwermetallaufnahme oder die Wurzelexudation verändern. Das Ziel dieses Projekts ist es die bestehenden Bakterienstämme einem weiteren Screening hinsichtlich einer Verbesserung der Phytoextraktion zu unterziehen, und einer Anwendung näher zu bringen. In einem interdisziplinärem Ansatz sollen die Auswirkungen der Bakterienstämme auf die Metallmobilisierung im Boden sowie die Genexpression in der Pflanze und Wurzelexudation untersucht werden. Ausgewählte Stämme werden in Pflanzenversuchen hinsichtlich ihres Potenzials zum Einsatz in Phytoextraktionsverfahren getestet. In diesem Projekt sollen effiziente, für eine Anwendung vielversprechende Bakterienstämme identifiziert und die Grundlage für die weitere Entwicklung von verbesserten Phytosanierungstechnologien erarbeitet werden.

Mit Pflanzen vergesellschaftete Bakterien sind in der Lage Schwermetalle im Boden zu mobilisieren oder zu stabilisieren. Eine Stabilisierung ist wünschenswert um die Schwermetallaufnahme in Pflanzen möglichst gering zu halten, während eine Mobilisierung für Anwendungen der Phytoextraktion von Schwermetallen von Vorteil ist. In einem Vorgängerprojekt identifizierten wir Bakterien, die Zn und Cd im Boden mobilisieren können und die aus Weiden (Salix caprea), die in auf einem Schwermetall-belasteten Boden wachsen, isoliert wurden. In diesem Projekt untersuchten wir, welche Mechanismen für die Schwermetallmobilisierung verantwortlich sein könnten und wie diese Bakterien mit der Pflanze interagieren. Unsere Ergebnisse zeigten, dass die Produktion von organischen Säuren von Bedeutung sein kann. Weiters beeinflussten einige Stämme die Genexpression in der Pflanze, insbesondere Metalltransporter und Redoxgene, und könnten so die Schwermetallaufnahme sowie die Stresstoleranz der Pflanze erhöhen. Für die Anwendung von Bodenbakterien ist es nicht nur wichtig, dass Bakterien Mobilisierungskapazität aufweisen, sondern auch die Fähigkeit sich im natürlichen Habitat durchzusetzen und zu etablieren. Daher adressierten wir insbesondere das Durchsetzungsvermögen von bakteriellen Stämmen. Wir selektierten kompetitive Stämme, die auch bestimmte benefizielle Eigenschaften in Labortests zeigten, und applizierten sie in einem Pflanzenexperiment mit Salix caprea. Es konnte jedoch kein Einfluss auf das Pflanzenwachstum oder die Schwermetallaufnahme festgestellt werden. Dies zeigt die Wichtigkeit die Mechanismen dieser Pflanzen-Mikroben Interaktion besser zu verstehen um die gewünschten Effekte reproduzierbar und auch im Feld zu erzielen. Ein Stamm, der aus Weiden isoliert wurde, wurde als neue Art mit dem Namen Spirosoma endophyticum beschrieben. Wir hatten weiters die Hypothese, dass verschiedene Pflanzengenotypen mit unterschiedlichem Akkumulierungspotenzial verschiedene mikrobielle Gemeinschaften in der Rhizosphäre beherbergen. Um die Hypothese zu testen wurden die Rhizosphärenmikroflora von acht Salix Genotypen mit unterschiedlicher Schwermetallakkumulierung mittel 454 Sequenzierung von 16S rRNA Genen untersucht. Die Schwermetallaufnahme sowie die Pflanzenlinie das Rhizosphärenmikrobiom, was auf eine intensive Interaktion zwischen Pflanze und Mikroflora und Rolle dieser Interaktion in der Schwermetallakkumulierung hinweist.