Bianca Braha

Physiologisch-biochemische Charakterisierung schwermetallinduzierter Reaktionen des aquatischen Hyphomyceten Heliscus lugdunensis (Teleomorph: Nectria lugdunensis)

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 13.09.2004

Abstract
Aquatische Hyphomyceten, denen bisher eine hohe Sensitivität gegenüber Schwermetallen nachgesagt wurde, treten in erstaunlich hoher Artenvielfalt in extrem belasteten Standorten des Mansfelder Landes auf. Als primäre Destruenten erfüllen sie in der Nahrungskette des aquatischen Ökosystems eine bedeutende ökologische Rolle. Anthropogene Einflüsse, z.B. ein hoher Schwermetalleintrag, können dieses Gefüge empfindlich stören.
Mit der vorliegenden Arbeit sollte ein Beitrag zur Erkenntnis über die physiologisch-biochemischen Grundlagen der Anpassung dieser Organismengruppe an die extremen Bedingungen am Standort, speziell den hohen Schwermetallkonzentrationen, erbracht werden.
Es war zu klären, ob differente Standortbedingungen dazu führen, dass verschiedene Toleranzmechanismen entwickelt werden, die dann die Ausbildung unterschiedlicher Ökotypen bedingen. Für diese Untersuchungen wurde der am häufigsten vorkommende Vertreter der aquatischen Hyphomyceten "Heliscus lugdunensis" herangezogen.
Aus zwei moderat belasteten und einem stark belasteten Standort wurden 3 H. lugdunensis-Stämme (H6-06-10, H8-2-1, H4-2-4) isoliert. Die Verifizierung der Zugehörigkeit dieser Stämme zu den Ascomyceten mittels 18S rDNA-Analyse stand am Anfang der Arbeit.
Für die physiologisch-biochemischen Untersuchungen hinsichtlich ihrer Stressantwort auf Cadmium und Zink wurden die zwei H. lugdunensis-Stämme H4-2-4 und H8-2-1 aus einem stark und einem moderat belasteten Standorten verglichen. Schwerpunkte der Untersuchungen waren Wachstumsverhalten, Wasserhaushalt, Biosorptions- und Akkumulationsvermögen sowie der Thiolstoffwechsel (Sulfatversorgung, Cystein-, -Glutamylcystein-, Glutathion- Phytochelatin und Metallothioneinmetabolismus, Beeinflussung der Sulfidbiosynthese) auch im Hinblick auf die Anzuchtstemperatur und die Wachstumsphase.
Da der erste Kontakt eines Organismus mit seiner Umgebung die Zellwand ist und für H. lugdunensis bisher keine Informationen zur Zellwandzusammensetzung vorlagen, sollte diese in ersten Ansätzen (Zuckerkomponenten) geklärt und die Beeinflussung durch Cadmium und Zink bestimmt werden.
Der Einfluss weiterer Ionen (Sulfat, Magnesium) im Medium auf das Toleranzverhalten des Stammes H4-2-4 gegenüber Cadmium und Zink war zu untersuchen, da Schwermetalle am Standort nie als Einzelelemente vorkommen, was zu Ionenkonkurrenzen führen kann.

Aquatic hyphomycetes (AQH) could be found in highly polluted areas of the Mansfelder Land in a surprisingly large biological diversity. However they are believed to be highly sensitiv to some forms of pollution e.g. heavy metals. The enhanced deposit of heavy metals in consequence of anthropogenic contaminations interferes with their function as primary participants in the decomposition of organic matter in the food chain.
The present thesis should contribute to the understanding of physiologic-biochemical basic principles of adaptation to extreme conditions at sites within AQH. Particularly the influence of high heavy metal concentrations should be investigated.
The question as how different conditions may have influence on the development of different tolerance mechanisms and whether this leads to the development of different ecotype should be answered. Due to its frequency the aquatic hyphomycete Heliscus lugdunensis was used for all investigations. Three strains of these fungus were isolated from two moderate and one highly polluted habitats (H6-06-10, H8-2-1, H4-2-4). Via 18S rDNA analysis it was proven that all three Heliscus lugdunensis strains belonged to the class of Ascomyceta.
The strains H4-2-4 and H8-2-1 isolated from a high and moderate polluted site respectively were used for all physiologic-biochemical investigations. Here we compared the stress responds to cadmium and zinc of both strains. Thereby we focused on growth, water balance, biosorption and accumulation as well as thiol metabolism (sulfat supply, cystein, -EC, GSH, phytochelatin and metallothioneine metabolism and interaction of the sulfid biosynthesis) also in respect of growth temperature and growth phase.
Because the cell wall represents the first barrier between environment and cell and knowledge about cell wall compostion still lacks we investigated the cell wall especially its sugar components after cadmium and zinc incubation.
Furthermore we were interested in the influence of ions in the media like sulfat and magnesium on the tolerance to cadmium and zinc in H4-2-4 because in natural systems the metal of interest is never present alone, rather a multidude of cations and anions of various origin and character exist.

Keywords:
Aquatische Hyphomyceten, Heliscus lugdunensis, Cadmium, Zink, Stressantwort

aquatic hyphomycetes, Heliscus lugdunensis, cadmium, zinc, stress response

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Inhaltsverzeichnis
Titelblatt, Inhaltsverzeichnis (1, I-III)
1 Einleitung (1-14)
2 Material und Methoden (15-35)
3 Ergebnisse (36-73)
4 Diskussion (74-110)
5 Zusammenfassung und Ausblick (111-115)
6 Literaturverzeichnis (116-131)
Anhang