Subzelluläre Lokalisierung von Schwermetallen in Mooralgen

Süßwasseralgen können durch landwirtschaftliche Praktiken, industrielle Abwässer und Luftverschmutzung verschiedenen Schwermetallbelastungen ausgesetzt sein. Während sich zahlreiche Studien mit dem Einfluss von Schwermetallen auf physiologische und molekulare Reaktionen von Algen und auf die Produktion von Biomasse beschäftigt haben, liegen nur wenige Daten über die subzelluläre Lokalisierung von Schwermetallen in intra- und extrazellulären Kompartimenten vor. Dies ist zumindest teilweise darauf zurückzuführen, dass Methoden der analytischen Elektronenmikroskopie, wie Energieverlustspektroskopie bisher nur begrenzt in biologischen Wissenschaften eingesetzt wurden. Ziel dieses Projekts ist es, Schwermetalle wie Kupfer, Cadmium, Aluminium, Zink, Eisen, Chrom und Blei in Mooralgen nach experimenteller Exposition mittels Energiefilterungs- Transmissionselektronenmikroskopie zu lokalisieren, wobei die Strukturerhaltung der Algen durch moderne Cryo- Techniken wie Hochdruckgefrierfixierung gewährleistet werden soll. Diese Methoden erlauben nicht nur eine präzise Zuordnung der Schwermetalle zu Details der Ultrastruktur sondern ermöglichen auch Aussagen über die Art der Bindung bzw. Komplexierung des Metalls. Im Gegensatz zu zahlreichen Untersuchungen an Algen, die befähigt sind, Schwermetalle zu hyperakkumulieren, und dadurch ökonomische Bedeutung in der Phytoremidiation besitzen, sind die Objekte dieses Projekts Süßwasseralgen, die ausschließlich in oligotrophen sauren Moortümpeln wachsen. Ihre natürlichen Habitate gehören zu den letzten intakten Ökosystemen Europas und sind durch Schwermetallbelastungen extrem gefährdet. Die subzelluläre Lokalisierung von Schwermetallen wird an drei verschiedenen Arten von Mooralgen, Micrasterias denticulata, Netrium digitus und Desmidium swartzii untersucht, die sich voneinander durch Zellwandbau und Wachstumsform unterscheiden. Die Schwermetallverteilung soll mit der Verteilung von Zellwandkomponenten, wie z.B. Pektinen verglichen werden um daraus Schlüsse über Bindungskapazitäten ziehen zu können. Darüber hinaus soll die intrazelluläre Aufnahme von Schwermetallen in Zellkompartimente und ihre Bindung an Liganden untersucht werden. Kurz- und Langzeiteffekte von Schwermetallen auf Zellwachstum, Teilungsrate, Biomasseproduktion, Veränderung der Ultrastruktur von Organellen und des Sekretionsweges, sowie auf die photosynthetische Aktivität werden analysiert. Es soll festgestellt werden, inwieweit sich Umweltbedingungen, wie pH-Wert, Temperatur und Salzkonzentra-tion des umgebenden Mediums auf die Aufnahme und Speicherung der einzelnen Schwermetalle auswirken. Mögliche Abwehrmechanismen gegen Schwermetallstress wie z.B. vermehrte Phyto-chelatin-Produktion oder die Beteiligung von Prolin sollen in die Untersuchungen miteinbezogen werden.

Süßwasseralgen können durch Industrie, Verkehr und landwirtschaftliche Praktiken, verschiedenen Schwermetallbelastungen ausgesetzt sein, die vor allem über die Luft, als Aerosole in Feuchtgebiete eingetragen werden. Während sich zahlreiche Studien mit dem Einfluss von Schwermetallen auf physiologische und molekulare Reaktionen von Algen und auf die Biomasse-Produktion beschäftigt haben, war es das vorrangige Ziel dieses Projektes, Metalle in intra- und extrazellulären Kompartimenten zu lokalisieren um Aufschluss über Aufnahme-, Verteilungs- und mögliche Entgiftungs-mechanismen der Zellen zu gewinnen. Dabei kamen moderne Methoden der darstellenden und analytischen Elektronenmikroskopie, wie Elektronenenergieverlustspektroskopie (EELS), ebenso zum Einsatz wie licht- und fluoreszenzmikroskopische Techniken, physiologische Messungen und chemische Analysen. Anhand der gut untersuchten Modell-Alge Micrasterias denticulata wurde gezeigt, dass die Metalle Kupfer, Cadmium, Aluminium, Zink, Eisen, Chrom und Blei unterschiedlich weit in die Zelle aufgenommen werden und mehr oder weniger gut in Zellkompartimenten abgespeichert und damit entgiftet werden können. So bleiben z.B. Al und Pb in der Zellwand während Cu, Zn, Fe und Cd zusätzlich in verschiedenen Organellen im Inneren der Zellen zu finden sind. Dies zeigt, dass die Zell-wand der Alge für viele Metalle eine Art Filterwirkung besitzt, die verhindert, dass größere Mengen ins Cytoplasma aufgenommen werden. Andererseits wurden Speicherung in der Vakuole und Bindung an kleine Peptide, die Phytochelatine als weiter Entgiftungsmechanismen der Alge für Metalle nach-gewiesen. Cd, das in keinem Zellkompartiment detektiert werden konnte, zeigte unter allen getesteten Metallen die giftigste Wirkung in Micrasterias, weil es offenbar in niedrigen Konzentrationen gleich-mäßig im Cytoplasma verteilt bleibt. Es entfaltet seine negative Wirkung auf Micrasterias durch eine Veränderung des Calcium-Haushalts der Zellen und bewirkt schwere morphologische und funktionelle Störungen bestimmter Zellorganellen, der Dictyosomen. Diese Ergebnisse führten zu 3-D Analysen mit einer neuen elektronenmikroskopischen Technik im Rahmen einer Kooperation mit der Universität München, die in einem weiterführenden Projekt fortgesetzt werden sollen. Pb übt seine negative Wirkung auf die Algenzelle offenbar durch Veränderungen der physikalischen Eigenschaften der Zellwand aus, während Cr in abnormalen taschenförmigen Strukturen unterhalb der Zellwand gemeinsam mit Fe gefunden wurde, was auf einen Ausschleuse-Vorgang in Form eines Chrom-Eisenoxids hinweist. Mithilfe von zweiwertigen Ionen wie Fe, Ca und Zn konnten die negativen physiologischen und strukturellen Effekte der oben genannten Metalle, vollständig oder teilweise verbessert, bzw. verhindert werden. Die Ergebnisse dieses Projektes wurden in internationalen wissenschaftlichen Journalen publiziert und bei zahlreichen Kongressbeiträgen und eingeladenen Vorträgen an verschiedenen Universitäten präsentiert. Insgesamt 5 Masterarbeiten und eine Doktorarbeit wurden im Rahmen dieses Projektes abgeschlossen.