Unterschiedliche Cadmiumaufnahme von Kulturpflanzen - Wurzelphysiologische und rhizosphärenchemische Ursachen
Final Report Abstract
In Vorversuchen in Nährlösung hatte sich gezeigt, dass sich die Cd-Toleranz von verschiedenen Pflanzenarten deutlich unterscheidet und in der Reihenfolge Spinat, Öllein, Sonnenblume, Mais zunimmt. Im vorliegenden Projekt sollte untersucht werden, ob diese Unterschiede auf die Aufnahmekinetik der Pflanzen oder die Beeinflussung der Rhizosphäre zurückgeht. Zunächst bestätigten sich die Unterschiede in der Cd-Toleranz auch in einem Gefäßversuch mit Boden. Die hohen Cd-Sprossgehalte von Spinat und Öllein, die zu Cd-Toxizitätserscheinungen geführt hatten, ließen sich nicht auf Parameter wie relative Wachstumsrate, Größe des Wurzelsystems oder Translokationsrate von Cd aus der Wurzel in den Spross erklären, sondern waren auf eine hohe Cd-Aufnahmerate zurückzuführen. Die Modellierung der Cd-Dynamik im Boden und der Cd-Aufnahme zeigte, dass der Cd-Transport zur Wurzel hin keinen begrenzenden Faktor für die Aufnahme darstellt. Damit unterscheidet sich Cd von Nährstoffen wie bspw. P, K oder Mn. In einer Sensitivitätsanalyse zeigte sich, dass sowohl die Aufnahmekapazität der Wurzel als auch die wirksame Cd-Konzentration an der Wurzeloberfläche eine hohe Bedeutung für die Aufnahmerate besitzen. Die Aufnahmekapazität (root absorbing power, α) lässt sich im Boden nicht mit ausreichender Genauigkeit messen. Nährlösungsversuche hatten aber gezeigt, dass sich α zwischen den Pflanzenarten zwar unterscheidet, die Größenordnung der Unterschiede allerdings nicht die unterschiedlichen Aufnahmeraten im Boden erklären können. Damit kommt der wirksamen Konzentration von Cd in der Bodenlösung eine hohe Bedeutung zu. Die Messung der Gesamtkonzentration an gelöstem Cd (ionar und komplexiert) in der Bodenlösung zeigte deutlich einen Einfluss des Pflanzenbewuchses. So sank die Konzentration im Vergleich zum unbepflanzten Boden bei Mais und Sonneblume ab, bei Öllein stieg sie an, bei Spinat war das Ergebnis uneinheitlich. Die Modellrechnung deutete aber darauf hin, dass die gemessenen Bodenlösungskonzentrationen nicht der wirksamen Konzentration – also dem ionaren Cd und u.U. dem aufnehmbaren komplexierten Cd - entspricht, da es für alle Pflanzenarten zu einer Überschätzung der Aufnahme kam. Dies bedeutet, dass es in der Bodenlösung Cd-Komplexe gab, die von der Pflanze nicht genutzt werden konnten. Legt man die Modellergebnisse zugrunde, unterschied sich der Komplexierungsgrad zwischen den Pflanzenarten. So lag er bei Mais bei ca. 90%, bei Spinat dagegen nur bei 37% des gesamten gelösten Cd. Die Untersuchung der Wurzelexsudate führte nicht zu den gewünschten Ergebnissen. Mit den genutzten Methoden ließen sich keine Proteine in den Exsudaten nachweisen. Auch Phytochelatine, von denen bekannt ist, dass sie in der Pflanze Cd komplexieren und damit entgiften, konnten in den Exsudaten mit zwei unterschiedlichen Methoden nicht nachgewiesen werden. Allerdings lag hierbei die Nachweisgrenze relativ hoch.
Publications
- (2011). Shoot Cadmium Accumulation of Maize, Sunflower, Flax, and Spinach as Related to Root Physiology and Rhizosphere Effects. Dissertation Uni Göttingen
Stritsis, Christos
