CE und CE-ICP-SFMS in der Rhizospärenforschung

Das vorliegende, interdisziplinäre Vorhaben beschäftigt sich mit grundlegenden Prozessen im Wurzelraum von Pflanzen (Rhizosphäre). Ziele des Projektes sind die Erfassung von Wechselwirkungen zwischen Wurzelexsudaten und Metallen und deren Bedeutung für die Aufnahme von Schadstoffen durch die Pflanzenwurzel sowie die Beantwortung der Frage, in welchem Ausmaß organische Säuren in der Rhizosphäre zur Mobilisierung und damit zu einer erhöhten Bioverfügbarkeit von Metallen beitragen können. Voraussetzung für die Erfassung aller relevanten Mechanismen des dynamischen Rhizosphärensystems ist die Entwicklung neuartiger, interdisziplinärer methodischer Ansätze: Als neuartige analytische Techniken wird von der Arbeitsgruppe Analytische Chemie (Institut für Chemie, Universität für Bodenkultur, Wien) eine Analytik zur Bestimmung von niedermolekularen organischen Säuren und Aminosäuren mittels Kapillarzonenelektrophorese (CE) in Bodenlösung entwickelt. Zudem verfolgt die Forschungsgruppe grundlegende methodische Fragestellungen zum Einsatz der Kopplung von Kapillarzonenelektrophorese (CE) mit der Sektorfeldmassenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP- SFMS) zur Metallspeziierung in Bodenlösung. Diese Kopplung stellt eine der jüngsten und vielversprechendsten Entwicklungen auf dem Gebiet der Bestimmung von Metall-Spezies dar, da die hohe Trennschärfe der CE mit der Multielementfähigkeit und der hohen Empfindlichkeit der ICP-SFMS kombiniert wird. Der Einsatz von hochauflösender Sektorfeldmassenspektrometrie ist essentiell für die richtige Bestimmung von "Problemelementen" wie zum Beispiel Fe, Mn, Cu und Al, welche spektrale Interferenzen aufweisen. Die Forschungsgruppe Rhizosphärenökologie und Phytotechnologie (Institut für Bodenforschung, Universität für Bodenkultur) wird innerhalb des Projektes spezielle Rhizoboxen entwickeln, die es ermöglichen, Wurzelausscheidungen direkt an der Wurzel und in definierten Abstanden von der Wurzel zu sammeln. Das Projekt befaßt sich mit drei ausgewählten Pflanzen: Zwei Hperakkumulatoren (Thlaspi goesingense, Thlaspi caerulescens) werden mit einer verwandten, nicht Metall akkumulierenden Pflanze (Thlaspi arvense) verglichen. Grundlagenforschung bezüglich Metalltransfer zwischen Boden und Pflanze ist essentiell um die Entwicklung von Phytotechnologie voranzutreiben. Die Projektergebnisse stehen im unmittelbaren Zusammenhang mit praxisorientierten Fragen der Phytosanierung und der nachhaltigen Landbewirtschaftung.

Bodenkontamination ist ein globales Thema. Schätzungen der Europäischen Kommission besagen, dass allein in Westeuropa über 1.200.000 Flächen kontaminiert sind und die Sanierungskosten bei etwa 110 Mill. betragen (EEA, 2000) liegen. Allein für Österreich wurden 29.492 Altlastenstandorte ausgewiesen (Umweltbundesamt, Wien, 2002). Es ist daher ein allgemeines Anliegen neue Techniken zur Dekontamination zu entwickeln. Ein viel diskutierter Ansatz ist in diesem Zusammenhang, die Möglichkeit hyperakkumulierende Pflanzen, welche dem Boden Metalle entziehen, zur Phytoextraktion aus kontaminierten Böden heranzuziehen. Hyperakkumulation ist derzeit weitgehend noch Thema der Grundlagenforschung. Erst ein besseres Verständis der stattfindenden Prozesse wird eine realistischen Einsatz der hyperakkumulierenden Pflanzen ermöglichen. Der wurzelnahe Boden, d.h. die Rhizosphäre spielt eine Schlüsselrolle in der Hyperakkumulation. Die Rhizosphäre ist ein hoch dynamisches System, in dem viele unterschiedliche Prozesse zur Stoffaufnahme durch die Pflanzenwurzel beitragen. Über die Prozesse im Wurzelraum zur Metall-Verfügbarkeit weiß man noch sehr wenig. Vor allem die Rolle von Wurzel- Ausscheidungen bei der Metall-Mobilisierung bzw. -Immobilisierung ist noch weitgehend ungeklärt. Eine Hypothese besagt, dass Verfügbarkeit der Metalle für die Pflanzen stark von Exudation organischer Säuren beeinflusst wird. Daher forschten wir an unterschiedlichen Methoden, die sich zur selektiven Beprobung der Rhizosphäre eigneten. Methoden zur Spurenanalyse von Metallen und organischer Säuren wurden etabliert. Neuartige Mikro-Saugkerzen wurden zur Gewinnung von Rhizosphären-Bodenlösung in Rhizobox-Systemen entwickelt. Sie ermöglichten Ionen Gradienten mit hoher räumlicher Auflösung zu bestimmen. Versuche in Rhizoboxen mit dem Ni- Hyperakkumulator Thlaspi goesingense zeigten, dass im Vergleich zu weiter entfernten Bodenschichten bei 1 mm Abstand zur Wurzelebene die Ni-Konzentration abnahm während Ca, K und Mg sich anreicherten. Diese Änderungen konnten mit Aufnahme- und Mobilisierungsprozessen erklärt werden. Zudem wurde an der Möglichkeit, Mikrodialyse im Boden einzusetzen, erfolgreich geforscht. Zu- und Abnahme von Konzentrationen organischer Säuren konnten ortsaufgelöst gemessen werden. Durch die Verwendung der Technik "Diffusionsgradienten in dünnen Schichten" konnte die Effizienz der Phytoextraktion am Beispiel des As hyperakkumulierenden Farns Pteris vittata evaluiert werden. Für letzteren wurde Arsen Speziierung in Bodenlösung mittels CE-ICP-MS und HPLC-ICP-MS durchgeführt. Feldversuche zeigten für die Rhizosphäre des Hyperakkumulator Thlaspi goesingense im Vergleich zu den beiden nicht-hyperakkumulierenden Pflanzen Silene vulgaris und Rumex acostella erhöhte Konzentration von Oxalsäure und bestätigten somit die Hypothese nach welcher organische Säuren ein wesentlcher Faktor in der Hyperakkumulation sind.