Schwermetalle in Metallophyten

Projektziele sind anatomisch-morphologische und physiologische Studien zur Akkumulation von Schwermetallen in oberirdischen Organen von ostalpinen Schwermetallpflanzen (Metallophyten). Die dauernde Besiedelung ostalpiner Schwermetallstandorte ( Galmei und Kupfer ) ist einigen wenigen Pflanzenarten vorbehalten. Der Lebenszyklus dieser Spezialisten ( "Eumetallophyten" ) ist geprägt durch eine Reihe ökophysiologischer Stressfaktoren und den zum Teil sehr hohen Schwermetallgehalt des Substrates. Zur Bewältigung des Schwermetallstress haben die Pflanzen eine Reihe von Strategien entwickelt, um auf diesen zum Teil sehr steilen Halden überleben zu können. Dazu zählt unter anderem die Fähigkeit aufgenommene Schwermetalle intern durch unterschiedliche stoffwechselphysiologische Reaktionswege zu fixieren und sie damit dem aktuellen Stoffwechsel weitgehend zu entziehen. Darüber hinaus scheinen manche Arten durch ständiges Nachwachsen neuer oberirdischer Sprossteile zusätzliche Speicherkapazität für Schwermetalle zu schaffen. Diese Strategie ist möglicherweise bei Pflanzen mit Rosettenblättern zu beobachten. Schwerpunkt des vorliegenden Forschungsvorhabens ist die Frage, wo und wie ostalpine Schwermetallpflanzen Schwermetalle akkumulieren bzw. auf welche Weise Schwermetalle in der Pflanze deponiert und immobilisiert werden ( Metall-Kompartimentierung und Metall- Sequestrierung ). Darüber hinaus sollten die erwarteten Ergebnisse ( also die genauere Kenntnis der pflanzlichen Depositionsmöglichkeiten in den oberirdischen Organen ) eine verbesserte Grundlage für die Konzepte zur Sanierung der Rhizosphäre ( Boden/ Wurzelbereich ) durch "Phytoremediation" ( Phytoextraktion ) liefern.

Seit etwa 10 Jahren beschäftigen sich Wissenschafter intensiv mit Metallhyperakkumulatoren - Pflanzen, die Metall-Ionen in großen Mengen in ihren oberirdischen Organen speichern können und eine hohe Metalltoleranz aufweisen. Weltweit sind heute ca. 400 Pflanzenarten bekannt, die Schwermetalle (Ni, Zn, Cu, Pb, Cd, Co) hyperakkumulieren. Untersuchungsobjekte dieser Studie waren vor allem Vertreter der Brassicaceae (Kreuzblütler), da sie mit 11 Gattungen und 87 Arten das Hauptkontingent unter den Metall-Hyperakkumulatoren stellen. Analysiert wurde Thlaspi goesingense, ein Ni-Hyperakkumulator von einem Serpentinstandort. Des weiteren auf Galmei (Pb, Zn)-Boden: die beiden Kreuzblütler Thlaspi minimum und Arabidopsis halleri, sowie Linaria alpina, ein Braunwurzgewächs. Im Vordergrund des Interesses stand die Aufnahme und Verteilung von Schwermetallen in der Pflanze sowie die Anatomie des Blattes. Bei Thlaspi goesingense war die Schwermetall-Konzentration (Ni) in den Rosettenblättern am höchsten. Sie betrug mehr als das 5-fache der Werte in den Wurzeln. Obwohl die Zn-Konzentration im Vergleich zur Ni-Konzentration im Boden viel geringer war, zeigen die Werte für die beiden Schwermetalle in der Pflanze nur geringe Unterschiede. Diese Tatsache weist auf einen aktiven Schwermetalltransport hin. Bei einem passiven Einströmen der Schwermetalle in die Zellen der Blätter müssten die beiden Schwermetalle in unterschiedlicher Konzentration vorliegen. Sowohl Ni als auch Zn sind hauptsächlich in den großen Epidermiszellen lokalisiert, wobei zwischen oberer und unterer Epidermis kein Unterschied besteht. In den anderen Geweben sind die Schwermetall- Konzentrationen wesentlich geringer. In der Zelle sind die Schwermetalle hauptsächlich in der Vakuole deponiert, wo sie dem aktuellen Stoffwechsel weit gehend entzogen sind. Bei Thlaspi minimum erfolgt der Transport des untersuchten Zink vor allem in die Rosettenblätter und die Brakteen (Tragblätter der Blüten). In den oberirdischen Organen von Arabidopsis halleri weisen die Blütenstände und die Blätter die höchsten Zinkkonzentrationen auf, wobei die Parenchymzellen des Chlorenchyms (Assimilationsgewebe) bevorzugte Orte einer Schwermetalldeposition sind. Sowohl bei Thlaspi minimum als auch bei Arabidopsis halleri zeigt sich eine bevorzugte Deposition der Schwermetalle in Zellen mit großen Vakuolen. Das sind bei Thlaspi minimum die Epidermiszellen und bei Arabidopsis halleri die Parenchymzellen des Blattes. Linaria alpina, ein typischer Vertreter der Excluder-Pflanzen, weist die höchsten Zinkkonzentrationen in den unterirdischen Organen auf. Dieses Schwermetall wird kaum in die oberirdischen Organe transportiert. Bei allen Arten auf dem Galmei-Substrat zeigte sich, dass das Blei, das im Boden reichlich vorhanden ist, in den oberirdischen Organen kaum nachzuweisen ist. Bei allen Arten ist das Blei überwiegend in der unterirdischen Biomasse fixiert. Durch Bindung an die Zellwände ist dieses Schwermetall von einem Transport in die oberirdischen Organe weitgehend ausgeschlossen.