Schwermetalle in Pflanzen

5.8.2015 Wesentlicher Beitrag zur Klärung der Frage, warum Cadmium so stark toxisch wirkt

Die Pflanzenphysiologin Ursula Lütz-Meindl von der Universität Salzburg hat mit ihrer Arbeitsgruppe eine Elektronenmikroskopie-Untersuchungsmethode so adaptiert, dass man damit exakt erkennen kann, wo sich in einer Pflanzenzelle einzelne Schwermetalle ablagern. Mit ihren Forschungen hat Lütz-Meindl unter anderem einen wesentlichen Beitrag zur Klärung der Frage liefern können, warum Cadmium so stark toxisch wirkt.




Schwermetalle haben einen schlechten Ruf. In Spuren sind sie zwar manchmal lebenswichtig, aber schon in geringster Überkonzentration können sie für den menschlichen Organismus hochgiftig sein. Stoffe wie Aluminium, Blei, Cadmium, Eisen, Kupfer oder Zink gelangen meist über die Nahrungskette in den menschlichen Körper. Dabei spielen Pflanzen eine entscheidende Rolle, weil sie Schwermetalle aus dem Boden oder aus Luftschadstoffen aufnehmen und anreichern können. Die Methode der sogenannten ‘Elektronen-Energieverlustspektroskopie’ beruht - wie der Name schon sagt- auf dem Prinzip, dass ein Elektronenstrahl beim Auftreffen auf eine Probe Energie verliert. Der Energieverlust variiert von Schwermetall zu Schwermetall. So lassen sich verschiedene Schwermetallmengen in den verschiedenen Pflanzenteilen bestimmen.

In welchen Bereichen einer Zelle sich Schwermetalle anreichern, war bisher nicht erforscht, ist aber von grundlegender Bedeutung für die Auswirkungen der verschiedenen Schwermetalle auf den Stoffwechsel der Pflanzen. ‘Ob die Schwermetalle zum Beispiel in der Zellwand, im Zellkern oder in den Chloroplasten angreifen, macht einen Riesenunterschied für die Frage der Toxizität’, sagt Lütz-Meindl.

Ursula Lütz-Meindl stellte kürzlich an der Universität Exeter (England) bei einem hochkarätigen Kongress der ‘Royal Microscopical Society’ ihre Schwermetallforschungen vor. ‘Das Interesse der internationalen Fachwelt an den Salzburger Arbeiten ist sehr groß. Wir führen unsere Untersuchungen an Mooralgen durch. Diese einzelligen Organismen sind für uns Modellsysteme, an denen wir die subzelluläre Lokalisierung der Schwermetalle gut untersuchen können. Wir arbeiten mit Mooralgen aus dem Lungau. In den sauberen Hochmoorseen dort gedeihen sie bestens. Auf der Überlingalm bei Tamsweg haben wir seit den 1980er Jahren eine Forschungsstation ’

Inzwischen liegen mehrere interessante Forschungsergebnisse vor: Als extrem gefährlich hat sich das Cadmium erwiesen, weil es nicht in abgegrenzten Zellräumen (Kompartimenten) gespeichert wird, sondern sich über die gesamte Zelle verteilt und so in alle Stoffwechselprozesse eingreift und die Pflanze schnell vergiftet. Kupfer hingegen lagert sich vorwiegend in den Chloroplasten ab, den Orten der Photosynthese. Dort kann es lange Zeit völlig inaktiv sein. Gerät die Pflanze jedoch unter Stress wie Trockenheit, wird das Kupfer ausgeschüttet und vergiftet dann nachträglich die Pflanze. Aluminium wiederum wird in der Zellwand gespeichert. Diese wirkt wie ein Filter. Sie hat eine Schutzfunktion für die Pflanze. Diese Ergebnisse können die Grundlage für Aspekte der Pflanzenzucht auf schadstoffbelasteten Böden liefern.


Seit kurzem steht der Arbeitsgruppe um Lütz-Meindl eine zusätzliche Methode für ihre Untersuchungen an Mooralgen zur Verfügung, die an dem Elektronenmikroskop in Salzburg installiert wurde: die Elektronentomographie. Damit können ganz kleine Zellbestandteile erstmals dreidimensional dargestellt werden. Eine ähnliche Methode wird von den Salzburgern schon seit etwa zwei Jahren in einer Kooperation mit der LMU München genutzt und hat bereits neue Ergebnisse über Veränderungen in Algenzellen nach Schwermetall-Einwirkung erbracht.

Die Schwermetallforschungen von Lütz-Meindl wurden in einem FWF Projekt mit 300.000 Euro gefördert. Die Forschungsresultate wurden in angesehenen internationalen Fachzeitschriften wie dem ‘Journal of Plant Physiology’, ‘Environmental and Experimental Botany’ oder ‘Aquatic Toxicology’ publiziert.