Hyperakkumulation in Thlapsi

Metallakkumulierende Pflanzen dienen als Modellsystem und Ausgangspunkt für die Entwicklung von Phytosanierungstechnologien. Im vorliegende Projekt soll die Rolle von pflanzenphysiologischen und Rhiszosphärenprozessen bei der Hyperakkumulation von Schwermetallen in zwei Thlaspi-Arten (Taschelkraut) untersucht werden. Thlaspi capaeifolium ist ein Pb/Zn/Cd-Akkumulierer, die in Ostösterreich endemische Art Thlaspi goesingense ein Ni/Cr-Akkumulierer. Wesentliche Projektziele sind die Untersuchung physiologischer Prozesse bei der Aufnahme und Verlagerung der Metalle in der Pflanze in Abhängigkeit vom pH-Wert des Bodens sowie die Bestimmung der Bindungsformen von Metallen während der pflanzeninternen Translokation. Weiters sollen jene Pflanzenorgane lokalisiert werden, in denen die Schwermetalle bevorzugt akkumuliert werden. Besonderes Augenmerk wird den Prozessen in der Rhiszosphäre gewidmet, die Einfluß auf die Pflanzenverfügbarkeit der Metalle haben. In Topfversuchen wird die Reaktion beider Thlaspi-Arten (Pflanzenwachstum, Metallaufnahme und -akkumulation) auf das erhöhte Angebot von Metallen untersucht, die an ihren natürlichen Standorten keine Rolle spielen. Das Verständnis dieser Prozesse ist für die Entwicklung von Technologien der Phytosanierung von größter Bedeutung. Das Projekt gliedert sich in drei Abschnitte: 1. Untersuchung von Prozessen der Metallmobilisierung in der Rhizosphäre. Hierbei werden (a) in Hydroponic- Experimenten Wurzelexsudate der beiden Thlaspi-Arten bei verschiedenen pH-Werten identifiziert und (b) Wechselwirkungen zwischen Wurzeln und Rhizosphärenboden in sogenannten Rhizobox-Versuchen studiert. Unter anderem werden dabei Bodenlösungen aus dem Nahbereich der Wurzeln mit Hilfe von Mikrosaugsonden gewonnen und auf ihre Zusammensetzung analysiert; 2. Experimente zur Metallaufnahme werden in drei verschiedenen methodischen Varianten durchgeführt: (a) Hydroponic-Experimente, (b) Topfversuche zur Verpflanzung der Thlaspi-Arten auf Böden mit von den natürlichen Verhältnissen abweichendem Metallangebot, und (c) gemeinsame Aufzucht (Co-Transplant) beider Thlaspi in Topfversuchen zum Studium von Wechselwirkungen zwischen den Arten in der Rhizosphäre; 3. Experimente zur Erfassung der Metallverlagerung und -kompartimentierung in den beiden Thlaspi-Arten, mit Schwerpunkt auf (a) der Analyse von Xylemsaft zur Identifizierung von Prozessen der Metalltranslokation, und (b) Röntgenstrahlen-Mikroanalyse (EDAX) zur Bestimmung der Kompartimentierung der Metalle in den Pflanzen. Erwartete Ergebnisse aus diesen Untersuchungen sind Einblicke in grundlegende pflanzenphysiologische Prozesse der Hyperakkumulation von Schwermetallen in Thlaspi-Arten, insbesondere Metallaufnahme, -translokation und - kompartimentierung in der Pflanze. Weiters erwarten wir Aufschlüsse über die Rolle von Rhizosphärenprozessen bei Hyperakkumulation, wobei vor allem Informationen über den Einfluß des pH und organischer Wurzelexsudate auf die Metallmobilisierung gewonnen werden sollen. Die Co-Transplantexperimente sollen Hinweise auf mögliche Interaktionen zwischen den beiden Arten in der Rhizosphäre liefern und im Hinblick auf ihre Bedeutung für die Phytosanierung interpretiert werden. Aus den Ergebnissen der Verpflanzungsexperimente soll abgeleitet werden, inwieweit die beiden Thlaspi-Arten auch Metalle, die an ihren natürlichen Standorten keine Rolle spielen, akkumulieren können. Die erwarteten Fortschritte im Verständnis grundlegender Prozesse der Hyperakkumulation von Schwermetallen in den beiden Thlaspi-Arten sollen zur weiteren Entwicklung von Phytoextraktionstechnologien beitragen.

Im Rahmen des abgeschlossenen Projektes konnten wesentliche neue Erkenntnisse zur Hyperakkumulation von Schwermetallen gewonnen werden. Speziell die im Boden und im Wurzelraum (Rhizosphäre) ablaufenden Prozesse wurden untersucht. Der Einfluss von Pflanzen auf die Mobilität und damit Bioverfügbarkeit von Schermetallen konnte in diesem Projekt dargestellt werden. Konkrete Fragestellungen waren die Prozesse in Pflanze und Boden bei der Schwermetall-Hyperakkumulation. Ausgangspunkt war eine intensive Untersuchung eines Serpentin-Standortes. Hier zeigte sich deutlich der Einfluß von akkumulierenden und metall-ausschließenden Pflanzen auf die Bodeneigenschaften im Wurzelraum. In der Rhizosphäre des Ni-Hyperakkumulators Thlaspi goesingense wurde eine Konzentrationserhöhung der wasserlöslichen Fraktion des Nickels sowie des gelösten organischen Kohlenstoffs gefunden. In Zusammenarbeit mit einem von der Universität für Bodenkultur geförderten Projekt wurde ein neues Rhizobox- Design entwickelt, mit dem es möglich ist, Konzentrationsgradienten von Metallen oder Nährstoffen in der Rhizosphäre zu bestimmen. Es zeigte sich, daß bei Thlaspi goesingense die wasserlösliche Schwermetall-Fraktion in der Rhizosphäre erhöht wird, während es zu einer Verringerung der austauschbaren Fraktion kommt. Das ist einerseits auf Moblilisierungsprozesse zurückzuführen, andererseits kommt es auf Grund der hohen Metall- Aufnahme in die Pflanze zu einer Abreicherung der Metalle in der Rhizosphäre. Die Daten dieses Versuchs wurden in Zusammenarbeit mit einem weiteren Projekt (BMBWK: Rhizosphären-Prozesse in der Phytosanierung) zur Entwicklung eines mathematischen Modells zum Verhalten von Nickel in der Rhizosphäre von Thlaspi goesingense verwendet. Mit Hilfe dieses Modells wurde festgestellt, dass Nachlieferungsprozesse aus der mineralischen Bodenfraktion ein wesentlicher Aspekt bei der Berechnung der Konzentrationsgradienten von Nickel sind. Interessanterweise spielen Änderungen des pH-Wertes nur eine geringe Rolle. Hingegen kommt Wurzelausscheidungen eine Schlüsselrolle bei der Mobilisierung von Schwermetallen zu. Die Bestimmung von Wurzelausscheidungen war aufgrund von methodischen Problemen nur sehr eingeschränkt möglich, diese Fragestellung wird jedoch in derzeit laufenden FWF-Projekten intensiv bearbeitet (P 15357, P 15215). Die in diesem Projekt gewonnenen Ergebnisse können unmittelbar bei der Entwicklung der Phytosanierungstechnologie (Bodensanierung mit Pflanzen) eingesetzt werden. Die Mobilisierung von Schwermetallen und anderen Schadstoffen ist von zentraler Bedeutung. Die Ergebnisse dieses Projektes unterstreichen die Bedeutung von Wurzelausscheidungen bei der Mobilisierung (und damit Bioverfügbarkeit) von Schwermetallen sowie zeigen deutlich die im Boden induzierten Ausräumungs- und Nachlieferungsprozesse. Viele Hyperakkumulatoren sind für den Einsatz in der Phytosanierung zu klein, könnten aber als Mischkultur mit anderen Pflanzen einen Mobilisierungsimpuls setzen und so die Aufnahme von Schwermetallen fördern.