Elementspezies in biologischen und Umweltproben

Projektthema: Elementspeziation im Verlauf einer Nahrungskette

 
Teilnehmende Gruppen:

  • Fachbereich Chemie und Pharmazie: AG Baumann, AG Stöckigt (Kooperationspartner des GRK)
  • Fachbereich Geowissenschaften: AG Kersten
  • Fachbereich Biologie: AG König
  • Fachbereich Medizin: AG Duschner

 

Einleitung

Die Kenntnisse über die Zusammenhänge der Bioverfügbarkeit von Elementspezies in Pflanzen und der Abhängigkeit von der Bodenmatrix, die Aufnahme und Umsetzung der Elemente im Verlaufe einer Nahrungskette sowie deren Verbleib in den Zellen sind besonders wegen der Bedeutung für die Gesundheit von Mensch, Tier und der Entwicklung von Pflanzen von allgemeinem In­teresse.

Die Bioverfügbarkeit von Elementen und deren Spezies in Pflanzen ist abhängig von der Bodenmatrix und den Mechanismen zur Aufnahme. Die Umsetzung oder Akkumulation von Elementspezies in Pflanzen hat im Verlauf der Nahrungskette Effekte auf Tiere und eine sehr große gesundheitliche Bedeutung für den Menschen.

Diese Thematik soll im Rahmen von zwei Projektthemen bearbeitet werden, die sich (a) mit der Bildung von Metallalkylspezies im System Boden-Pflanze-Insekten und (b) mit Metallkomplexen und Metallproteinkomplexen in Pflanzen beschäftigen.

Die geplanten Untersuchungen des erst genannten Projektthemas haben das Ziel, zuverlässige Aussagen zu den Interaktionen zwischen schwermetallaufnehmenden Pflanzen oder Insekten (z. B. Termiten) und unterschiedlicher Bodenchemie zu erarbeiten. Dabei ist die Elementspeziation im Verlauf einer Nahrungskette sowie deren Verbleib von unterschiedlichen Spezies in den Zellen zu erarbeiten. In realistischer Beschränkung soll dabei im Antragszeitraum nur die Bildung von Alkylverbindungen untersucht werden.

Das zweite Projektthema beschäftigt sich mit der Komplexierung von Metallspezies in Pflanzen. Es bestehen bisher weitreichende Kenntnisse zur Detoxifizierung von Schwermetallen in Pflanzen durch die Produktion von Phytochelatinen (γ-Glu-Cys)n-Gly (n = 2-11). Diese Peptide werden nach Induktion durch äußeren Stress, wie z.B. durch Cadmium- oder Arsen-Ionen in den Pflanzenzellen synthetisiert, so dass die Metallionen komplexiert werden können. Die für Pflanzen essentiellen Metallionen wie Mn2+, Cu2+, Zn2+ und Ni2+ liegen überwiegend Informationen in Komplexen Chelatbildnern wie Citrat vor; man spricht in der Literatur häufig vom „low molecular weight“-Bereich. 

Noch weniger – sieht man einmal von Metallzentren in Enzymen ab - ist hingegen im „high molecular weight“-Bereich zum Bindungsverhalten von Schwermetallen an höhermolekulare Strukturen und zur Auswirkung auf die Pflanzenphysiologie bekannt. Das gilt insbeson­dere auch für die Spezies der Elemente Blei, Selen und Quecksilber.
 

 

Abb.: Thematische und methodische Vernetzung der Arbeitsgruppen

 
Themen der geplanten Dissertationsprojekte

Im Folgenden werden exemplarisch eine Reihe von Dissertationsthemen aus dem Forschungsschwerpunkt 1 sowie die jeweiligen Betreuer aufgeführt.

  • Transfer bioverfügbarer Schwermetallspezies von der Boden- in die Biomatrix 
     (Kersten, König)
  • Aufnahme und Umwandlung von Elementspezies durch intestinale Mikroorganismen (König, Kersten)
  • Analytische Charakterisierung von hochmolekularen Spezies essentieller Elemente in pflanzlichen in-vitro Systemen und Hydrokulturen (Baumann, Nachfolge Heumann, Stöckigt)
  • Analytische Charakterisierung von niedermolekularen Spezies essentieller Elemente in Hydrokulturen (Baumann, Nachfolge Heumann)
  • Detektion von Metallspezies in einzelnen lebenden Zellen mit hoher lateraler Auflösung (Duschner, Baumann, Stöckigt)