Auswirkungen von Mikro(nano)plastik auf die Xylemembolieresistenz einer verholzenden Angiosperme bei Trockenheit

• Antragsteller: Dr. Lucian Kaack
• Fachliche Zuordnung: Evolution und Systematik der Pflanzen und Pilze ; Biochemie und Biophysik der Pflanzen ; Ökologie und Biodiversität der Pflanzen und Ökosysteme
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 567607608

Mikro- und Nanoplastikpartikel (MNPs) sind neuartige Schadstoffe, die sich in terrestrischen Ökosystemen anreichern und potenzielle Risiken für die pflanzliche Wasserleitung darstellen. In Gefäßpflanzen wird Wasser durch Xylemgefäße unter starkem Unterdruck transportiert, was durch die Bildung von Gasembolien unterbrochen werden kann. Das Eindringen hydrophober MNPs ins Xylem könnte die Kavitationstoleranz herabsetzen, Emboliebildung begünstigen und so den Wassertransport unter Trockenstress beeinträchtigen. Obwohl frühere Studien die Aufnahme und den vaskulären Transport von MNPs in Pflanzen nachgewiesen haben, bleibt ihr direkter Einfluss auf die Embolieresistenz des Xylems weitgehend unerforscht. Das Hauptziel dieser Pilotstudie ist der experimentelle Nachweis eines potenziellen direkten Risikos von MNPs für den Wassertransport in Pflanzen. Unsere Hypothese nach, dienen die hydrophoben MNPs im Xylem als Keimstellen für Gasbläschen, wodurch die Kavitationsschwelle herabgesetzt wird und die Anfälligkeit für hydraulisches Versagen unter Trockenheit steigt. Mit einem interdisziplinären Ansatz aus physiologischen Experimenten, hochauflösender Bildgebung (einschließlich Fluoreszenz-, Konfokal- und Elektronenmikroskopie) und molekularen Simulationen untersuchen wir, ob und wie MNPs mit hydrophoben Oberflächen Kavitation innerhalb der Xylemgefäße beeinflussen und Embolien bei weniger negativen Drücken fördern. Experimenell werden hydroponisch und in Erde gezogene Fagus sylvatica als Modellpflanze verwendet. Die Jungpflanzen werden unterschiedlichen Konzentrationen fluoreszenzmarkierter 0,05-µm-Polystyrolnanopartikel ausgesetzt, deren Aufnahme ins Xylem mikroskopisch untersucht wird. Unterschiede in der Embolieresistenz werden durch Messungen, mittels “vulnerability curves” erfasst. Um die Mechanismen der MNP-Wirkung auf Kavitation zu untersuchen, führen wir klassische Molekulardynamik-Simulationen durch, die sich auf entscheidende Grenzflächen – Plastik-Wasser, Plastik-Lipid und Lipid-Lipid – konzentrieren. Zusätzlich werden Vorversuche durchgeführt, um die Haupttests zu ergänzen und um kosteneffiziente, größere experimentelle Ansätze mit selbst hergestellten MNPs zu entwickeln. Das Verständnis über diese Mechanismen ist im Kontext des globalen Klimawandels entscheidend, da zunehmende Trockenheit die landwirtschaftliche Produktivität und Waldresilienz gefährdet. Falls MNPs tatsächlich die Embolieresistenz reduzieren, könnte ihre Anreicherung einen zusätzlichen Stressfaktor darstellen, der zum Rückgang von Pflanzenbeständen und zu Ökosystemveränderungen beiträgt. Diese Forschung trägt zur Bewertung der langfristigen ökologischen Risiken von MNPs bei und liefert eine wissenschaftliche Grundlage für nachhaltige Umweltstrategien. Durch die Verknüpfung von Pflanzenphysiologie und Simulationen unterstreichen unsere Ergebnisse die Notwendigkeit interdisziplinärer Ansätze zur Umweltnachhaltigkeit.

• DFG-Verfahren: WBP Stelle