Kristin Sutter

Untersuchungen zur Akkumulation und physiologisch-biochemischen Wirkung von Schwermetallen im Wassermoos Fontinalis antipyretica L. ex Hedw.

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 07.12.2000

Abstract
Schwermetall-Stress, hervorgerufen durch anthropogene Einflüsse, stellt eine wesentliche Problematik im pflanzlichen System dar. Das Ziel der vorliegenden Arbeit bestand darin, einen umfassenderen Einblick in die Mechanismen der Akkumulation und Detoxifikation der Schwermetalle Cd(II), Pb(II) und Zn(II) im aquatischen Moos F. antipyretica und deren intrazelluläre Wirkung auf die Vitalität (Photosynthese), den Schwefel- und Stickstoff-Stoffwechsel bei dieser niederen Pflanze zu gewinnen.
Die Akkumulation der Schwermetalle Cd(II), Pb(II) und Zn(II) durch F. antipyretica ist ein zeit- und konzentrationsabhängiger Prozess. Es kommt zu einer schnellen Biosorption und einer langsameren, jedoch kontinuierlichen Aufnahme der Schwermetalle. Unterschiede zeigen sich in der Mobilität der Schwermetalle, wobei die Blattoberfläche eine Depotfunktion für Schwermetalle ausüben könnte Die Cd(II)-Akkumulation zweier Arten der Gattung Fontinalis (F. antipyretica/F. dalecarlica) wurde durch artspezifische Differenzen der Zellwandzusammensetzung aufgrund der verschiedenen Blattmorphologie beeinflusst. Cd(II), Pb(II) und Zn(II) inhibieren die Prozesse im PS II (Vitalität) und die Aminosäure- und Proteinbiosynthese (Einbau von getracertem Stickstoff - 15N), wobei Cd(II) >> Pb(II) > Zn(II). Elektronenmikroskopische Untersuchungen lassen die Schlussfolgerung zu, dass GSH bei der Komplexierung von Cd(II) im Zuge der Detoxifikation des Schwermetalls und dessen Transport in die Vakuole eine wichtige Bedeutung besitzen könnte. Kurzzeitiger Sulfatmangel (14 Tage) hat bei F. antipyretica keinen Einfluss auf die Erhöhung der GSH-Biosynthese infolge von Cd(II)-Stress. Längerfristiger Sulfatmangel (38 Tage) bewirkt nach Zugabe von Sulfat eine extrem schnelle Aktivierung des S-Metabolismus, was eine schnelle Reaktion auf gleichzeitige Belastung mit Cd(II) ermöglicht. Auch diese Ergebnisse zeigen, dass GSH eine wichtige Rolle bei der Entgiftung von Cd(II) zukommt und die Erhöhung der Sulfatassimilation eine grundlegende Voraussetzung für einen Anstieg des GSH-Gehaltes darstellt. Untersuchungen mit Xenobiotika (CDNB und NEM) weisen darauf hin, dass die Mechanismen der Detoxifikation von Cd(II) und Xenobiotika unterschiedlich sind. Die Befunde schließen jedoch die Beteiligung von GSH bei der Entgiftung von Cd(II) nicht grundsätzlich aus.

Heavy metal stress caused by anthropogenic impact is an important problem in plant ecosystems. The focus of these investigations was on getting a deeper insight into mechanisms of accumulation and detoxification of the heavy metals Cd(II), Pb(II) and Zn(II) in the aquatic moss F. antipyretica and their intracellular effects on vitality (photosynthesis), sulphur and nitrogen metabolism.
The accumulation of the heavy metals Cd(II), Pb(II) and Zn(II) is a time and concentration depending process consisting of a fast biosorption and a slowlier, but continious uptake. The heavy metals show a different accumulation mobility and the leaf surface seems to have a depot function for these elements. The Cd(II) accumulation of two species of the genus Fontinalis (F. antipyretica/F. dalecarlica) is influenced by species-specific differences in the composition of the cell wall attributed to individual leaf morphology. Cd(II), Pb(II) and Zn(II) inhibit the processes of the photosystem II (vitality) and the biosynthesis of amino acids and proteins (incorporation of stable labelled nitrogen - 15N) in the order Cd(II) >> Pb(II) > Zn(II). Electron microscopy experiments suggest, that glutathione is very important as chelator of Cd(II) in the course of its detoxification and transport into the vacuole. Short-time sulfate deficiency in F. antipyretica (14 days) does have no effects on the enhanced biosynthesis of glutathione as a result to Cd(II) stress - an increase of the glutahtione content. Long-time sulfate deficiency (38 days) results in a rapid activation of the S metabolism after addition of sulfate, which enables a prompt increase of glutathione in response to a simultaneous exposition to Cd(II). These findings support the significant role of glutathione concerning the detoxification of Cd(II) and that of the sulfat assimilation as basic condition for an enhanced glutathione biosynthesis. Experiments with xenobiotics (CDNB and NEM) point out that the mechanisms of detoxification of Cd(II) andxenobiotics are different. Nevertheless, an involvment of glutathione in Cd(II) detoxification can not be ruled out.

Keywords:
Akkumulation, Cadmium, Fontinalis antipyretica, Glutathion, Photosynthese, Schwefel-Metabolismus, Schwermetalle, Schwermetall-Stress, Stickstoff-Metabolismus, Vitalität

Accumulation, cadmium, Fontinalis antipyretica, glutathione, heavy metals, heavy metal stress, nitrogen metabolism, photosynthesis, sulphur metabolism, vitality

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Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis, Abkürzungsverzeichnis, Chemikalienverzeichnis
1 Einleitung (1-19)
2 Material und Methoden (20-36)
3 Ergebnisse (37-78)
4 Diskussion (79-115)
5 Zusammenfassung (116-123)
6 Literaturverzeichnis (124-135)
Anhang