Neue Hoffnung für Schwermetall-belastete Böden

Als Folge von Bergbau, Hüttenindustrie oder militärischer Nutzung sind heute Böden in zahlreichen Regionen mit Schwermetallen verunreinigt. Sie beeinträchtigen das Grundwasser, reichern sich in Nahrungsmitteln an oder dringen als Flugstaub in unsere Lungen ein. Schwermetall-belastete Böden zu sanieren ist daher von großem wirtschaftlichen wie gesundheitlichem Interesse. Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie in Potsdam und am Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemie in Halle sind jetzt dem Verständnis der molekularen Mechanismen ein gutes Stück nähergekommen, die es bestimmten Pflanzenarten ermöglichen, sich trotz Schwermetallbelastung zu entwickeln und dem Boden sogar Schwermetalle in großen Mengen zu entziehen.. Den Forschern ist es erstmals gelungen, das genetische Inventar zweier nah verwandter Pflanzenarten, des "Metallhyperakkumulators" Arabidopsis halleri und der genetischen Modellpflanze Arabidopsis thaliana, global miteinander zu vergleichen und hierbei jene Proteine zu identifizieren, die an ihrem Metallstoffwechsel beteiligt sind. Dank dieser neuen Erkenntnisse über den Metallhaushalt können jetzt spezielle Technologien entwickelt werden, um belastete Böden durch den Anbau von Schwermetall-sammelnden Pflanzen zu sanieren (The Plant Journal, OnlineEarly, 4. Dezember 2003).

Pflanzenforscher beschäftigen sich seit Ende der 1980er Jahre intensiv mit so genannten Metallhyperakkumulatoren, also Pflanzen, die Metall-Ionen in großen Mengen in ihren Blättern und Sprossen speichern können und eine bemerkenswerte Metalltoleranz aufweisen. Dieses Interesse entwickelte sich zeitgleich mit der Erkenntnis, dass Metall-Ionen in der Biologie generell eine wichtige Rolle spielen und eine Reihe von schweren Erkrankungen des Menschen, wie "Menke"s Disease", "Wilson"s Disease" oder die Hämochromatose, möglicherweise aber auch Alzheimer und Prionenkrankheiten, auf einen gestörten Metallhaushalt zurückzuführen sind. Denn alle Organismen sind mit demselben Dilemma konfrontiert: Metalle wie Kupfer, Zink, Eisen, Mangan oder Nickel sind in geringen Mengen lebensnotwendig. Wird ein solches Metall jedoch im Überschuss akkumuliert oder falsch verteilt, kann es zu schweren Schädigungen des Organismus kommen. Daher besitzen alle Lebewesen ein eng gestricktes und streng reguliertes Netzwerk von Proteinen des Metallhaushaltes.

Bisherige Untersuchungen dieser Proteine zeigten überraschend, dass sie in so unterschiedlichen Organismen, wie beim Menschen, in der Bäckerhefe oder in Pflanzen einander ziemlich ähneln. In Metallhyperakkumulator-Pflanzen wie Thlaspi caerulescens sind einzelne an der Metall-Speicherung beteiligte Proteine kaum von ihren Gegenstücken in verwandten, aber nicht Metall-toleranten Pflanzenarten zu unterschieden, werden jedoch anders reguliert. Allerdings war es bislang nicht möglich, einen globalen Überblick über das komplexe biochemische Netzwerk im Metallhaushalt dieser Pflanzen zu gewinnen. Dies hat sich nun mit den neuen Forschungsergebnissen über die Metallhyperakkumulator-Pflanze Arabidopsis halleri geändert.

Die Pflanzenart Arabidopsis halleri kommt auf stark mit Cadmium und Zink belasteten Böden vor und ist nicht nur extrem schwermetalltolerant, sondern gehört auch zu den etwa 400 Pflanzenarten, die Schwermetalle in ihren Blättern und Sprossen speichern. Diese Eigenschaften sind von großem technologischem Interesse, da sie für die kostengünstige und umweltfreundliche Reinigung schwermetallbelasteter Böden genutzt werden könnten. Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie in Potsdam und am Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemie in Halle sind nun der Frage, welche Mechanismen der Metallhyperakkumulation und -toleranz auf der molekularen Ebene zugrunde liegen, im Detail nachgegangen. Dabei haben sie sich die enge Verwandtschaft der Metallhyperakkumulatorpflanze Arabidopsis halleri mit der genetischen Modellpflanze Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand), deren Erbinformation vollständig entschlüsselt ist, zunutze gemacht. Im Gegensatz zu A. halleri weist A. thaliana keinerlei Metalltoleranz auf, immobilisiert Metalle in den Wurzeln und transportiert diese Ionen nur in geringem Ausmaß in ihre oberirdischen Pflanzenteile.

Quelle: Max-Planck-Gesellschaft