Ina Bruns

Induktion thiolhaltiger Peptide im Wassermoos Fontinalis antipyretica L. ex Hedw. unter Schwermetalleinfluß und deren Nutzung als Biomarker für Schwermetallbelastungen aquatischer Systeme

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 23.02.1998

Abstract
Die Aufnahme von Schwermetallen in Pflanzen führt zu biochemischen und physiologischen Störungen, die sich in einem verminderten Wachstum und einer geringeren Biomasse äußern können. Offensichtlich ist der effektivste Mechanismus zur Entgiftung von Schwermetallen in höheren Pflanzen und Algen die Komplexierung durch (Gamma-Glu-Cys)n-Gly-Peptide (Phytochelatine ). In Moosen ist die Entgiftung von Schwermetallen bisher wenig untersucht. Die Schwermetallaufnahme des Wassermooses Fontinalis antipyretica wurde unter Labor- und Freilandbedingungen gemessen. Für letzteres wurde aktives Biomonitoring in der Elbe und passives Biomonitoring im Gebiet des Harzes durchgeführt. Es stellte sich heraus, daß F. antipyretica ein guter Akkumulator für Schwermetalle ist. Der größte Teil der Schwermetalle wird vermutlich zunächst an extrazelluläre Bindungsstellen gebunden und wandert von dort langsam in die Zellen. Cd-induzierbare Verbindungen wurden in F. antipyretica nachgewiesen, die durch Standardaddition von Phytochelatinstandards aus Tomatenzellkulturen als Phytochelatine identifiziert wurden. Ihr Gehalt ist abhängig von der Cd-Konzentration und der Inkubationszeit. Es wird diskutiert, ob diese Verbindungen als Biomarker für Cd in belasteten Ökosystemen genutzt werden können. Die geringe Synthese von Cd-induzierbaren Verbindungen, die als Phytochelatine indentifiziert wurden, ist begleitet von einem starken Anstieg des Glutathiongehaltes, der abhängig ist, von der Inkubationszeit und Schwermetallkonzentration. Möglicherweise werden in F. antipyretica Schwermetalle direkt, ohne maßgebliche Beteiligung von Phytochelatinen, durch Glutathion komplexiert. Dieses wäre im Pflanzenreich ein neuer Weg der Schwermetallentgiftung.

The uptake of heavy metals by plants leads to biochemical and physiological disturbances which can result in growth reduction and a lesser biomass production. Obviously the most effective mechanism to detoxify heavy metals in higher plants and algae is the complexation by (gamma-glu-cys)n-gly-peptides (phytochelatins). In mosses the detoxification of heavy metals is less investigated. The heavy metal uptake by the water moss Fontinalis antipyretica was measured in loboratory experiments as well as in the field. For the latter active biomonitoring in the river Elbe and passive biomonitoring in the region of the mountains Harz was carried out. It turned out that F. antipyretica is a good accumulator of heavy metals. Probably most of the heavy metals are initially adsorbed to extracellular binding sites from where they slowly migrate into the cells. Cd inducible compounds were found in F. antipyretica which were identified as phytochelatins by standardaddition of phytochelatins from tomato cell cultures. There contents correlated with the Cd concentration and time of incubation. It is discussed whether these substances can be used as a biomarker for Cd at polluted ecosystems. The comparatively poor synthesis of the Cd inducible compounds, identified as phytochelatins, is accompanied by a strong increase of the glutathione pool which is related to the duration and strength of the heavy metal treatment. Possibly in F. antipyretica the heavy metal is complexed directly by the glutathione without significant participation of phytochelatins. This would be a new way of heavy metal detoxification in the plant kingdom.

Keywords:
Fontinalis antipyretica, Wassermoos, Schwermetalle, Cadmium, Phytochelatine, Glutathion, Gamma-Glutamylcystein, Biomonitoring, Elbe

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Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis, Abkürzungsverzeichnis, Bezugsquellen für Chemikalien
1 Einführung (1-10)
2 Material und Methoden (11-25)
3 Ergebnisse (26-60)
4 Diskussion (61-88)
5 Zusammenfassung und Schlußfolgerungen (89-94)
6 Literatur (95-106)
Anhang