Mobilisierung von Nickel durch hyperakkumulierende Pflanzen

An Standorten, wo nickelreiches Serpentin-Gestein oberflächennah vorkommt, entwickeln sich Böden mit hohen Nickel-Gehalten. Auf diesen Böden hat sich eine speziell angepasste Pflanzengemeinschaft entwickelt. Einige dieser Pflanzen sind in der Lage, das Nickel aus dem Boden zu extrahieren und in den Blättern anzureichern. Diese Pflanzen werden Hyperakkumulatoren genannt. Während die Prozesse der Nickel -Aufnahme und der Speicherung in den Blättern teilweise schon geklärt sind, ist die Frage der Nickel- Mobilisierung im Boden noch völlig ungeklärt. Da nur ein geringer Anteil des Nickels im Böden löslich und damit direkt pflanzenverfügbar ist, liegt die Vermutung nahe, dass die Wurzeln Nickel-mobilisierende Substanzen abgeben. Diese sogenannten Wurzelexsudate sind potentiell in der Lage, das Nickel aus dem Boden zu lösen; die Eigenschaften dieser Substanzen und deren Wirkung sind jedoch noch nicht bekannt und soll im Rahmen dieses Projektes aufgeklärt werden. Dazu werden die Wurzelexsudate mit Hilfe spezieller Wachstumskammern, sogenannter Rhizoboxen, gesammelt und charakterisiert. Zur Klärung der Wirkung im Boden wird eine neuartige Technologie zur Isotopenfraktionierung angewandt. Isotope sind Varianten von Elementen mit den gleichen chemischen Eigenschaften, aber unterschiedlicher Masse. Da bei chemischen und physikalischen Prozessen diese Isotope ungleich schnell reagieren, kommt es durch diese Prozesse zu kleinen, aber messbaren Unterschieden in der Isotopenzusammensetzung. Durch die Bestimmung der Isotopenverhältnisse von Nickel und Eisen wird versucht, die Quelle, also die bodenchemische bzw. mineralische Fraktion, des von den Hyperakkumulatoren mobilisierten Nickels zu identifizieren. Ein weiterer Aspekt, der in diesem Projekt untersucht wird, ist die Rolle der Mikroorganismen im Wurzelraum. Es ist schon länger bekannt, dass Bakterien die Nickel-Aufnahme beeinflussen können. Allerdings findet man im Wurzelraum und an bzw. in den Wurzeln eine Reihe von Pilzen. Zur Rolle dieser Mikroorganismengruppe ist noch sehr wenig bekannt und soll daher in diesem Projekt näher beleuchtet werden. Das Projekt ist eine interdisziplinäre Zusammenarbeit von österreichischen Universitäten (Universität für Bodenkultur Wien, Montanuniversität Leoben), CNRS Pau (Frankreich) und der Jagiellonian University Krakau (Polen), gefördert vom FWF (P34719).

Die Akkumulation von mehr als 1000 g g1 Nickel in der oberirdischer Biomasse von Planzen wird als Nickel-Hyperakkumulation bezeichnet. Ob Hyperakkumulatoren in der Lage sind, aktiv Nickel im Boden zu mobilisieren ist umstritten und die Prozesse in der Rhizosphäre sind noch weitgehend unbekannt. Das Ziel dieses Projekts war es daher, Rhizosphärenprozesse und die mögliche Ni-Mobilisierung durch den Ni-Hyperakkumulator Odontarrhena chalcidica zu untersuchen und die Ni-Aufnahme in Bezug auf einen Ni-Gradienten im Boden zu testen. Wir konnten zeigen, dass die Ni- und Fe-Konzentrationen, der pH-Wert sowie die DOC-Konzentrationen im Porenwasser durch O. chalcidica im Vergleich zu nicht bepflanzten Böden signifikant erhöht waren. Es wurde eine positive Korrelation zwischen Ni in Sproß und der Nickel-Konzentration im Boden sowie dem pH-Wert im Boden beobachtet, obwohl die Ni-Konzentrationen in den Pflanzen nicht eindeutig das gleiche lineare Muster wie das im Boden verfügbare Ni zeigten. Dies deutet auf eine klare wurzelinduzierte Ni- und Fe-Mobilisierung in der Rhizosphäre von O. chalcidica hin und legt einen Rhizosphärenmechanismus nahe, der auf der Alkalisierung des Bodens und der Ausscheidung organischer Liganden basiert. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass der pH-Wert des Bodens und das Pseudo-Gesamt-Ni bessere Prädiktoren für die Ni-Aufnahme durch O. chalcidica sind als labiles Ni im Boden. Wir haben die Prozesse, die die Aufnahme von bodengebundenem Nickel durch Hyperakkumulatoren steuern, weiter untersucht, insbesondere im Zusammenhang mit durch Wurzeln induzierten Veränderungen der Rhizosphärenchemie. Mithilfe von hochauflösender chemischer Bildgebung mittels planarer Optoden und Diffusionsgradienten in Dünnschichten (DGT) in Kombination mit Laserablations-Induktiv gekoppelter Plasma-Massenspektrometrie (LA-ICP-MS) untersuchten wir lokalisierte Veränderungen in der räumlichen Verteilung des pH-Werts sowie der Verfügbarkeit von Ni, Eisen (Fe), Zink (Zn) und Phosphor (P) in der Rhizosphäre des Ni-Hyperakkumulators Odontarrhena chalcidica, der auf zwei Böden mit unterschiedlichem pH-Wert sowie unterschiedlichem Gesamt- und extrahierbarem Ni-Gehalt wuchs. In beiden Böden wurde eine signifikante Alkalisierung der Rhizosphäre um bis zu 1,5 pH-Einheiten unmittelbar an der Wurzeloberfläche beobachtet, was auf eine Ausscheidung alkalischer Verbindungen durch die Wurzeln hindeutet. Während Ni-, Fe- und P-Flüsse im Allgemeinen um die Wurzeln herum abnahmen, wurden erhöhte Ni-Flüsse nur an den Wurzelspitzen im Boden mit niedrigerem Ni-Gehalt beobachtet, was auf eine eindeutige biogeochemische Nische für die Ni-Mobilisierung hinweist. Im Gegensatz dazu wurden unabhängig vom Boden- oder Wurzeltyp durchweg erhöhte Zn-Flüsse beobachtet, was einen bisher unbekannten Prozess im Zusammenhang mit einer verbesserte Zn-Verfügbarkeit in der Rhizosphäre offenbart. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass O. chalcidica eine hochselektive Strategie zur Veränderung der Rhizosphäre verfolgt, bei der pH-Verschiebungen mit elementspezifischen Mobilisierungsmechanismen kombiniert werden, um die Verfügbarkeit von Spurenelementen und deren Aufnahme durch die Pflanzen zu beeinflussen.