Einfluss von Phosphatmangel und erhöhter atmosphärischer CO2-Konzentration auf die Wurzelexsudation und ihre Auswirkungen auf Mobilisierung und Aufnahme von Schwermetallen durch verschiedene Lupinenarten und Tomate

Abstract

There is an increasing awareness of a contamination of the food chain by toxic heavy metals as consequence of anthropogenic induced pollution of the environment since the industrialization in the 18. century. In addition the CO2 concentration might promote the biomass formation of plants and thus, via an increased allocation of photo-assimilates into the roots, chemical changes in the rhizosphere. These changes can promote mobility and uptake of various heavy metals by crop plants, too. Therefore it was the main objective of this Ph.D. research, to study the possible consequences of such observed increase in the atmospheric CO2 concentration on the intensification of the rhizosphere chemistry on the uptake of heavy metals by selected plant species in continuation of the research work by Egle (2003) at the University Göttingen. As plant species various lupinus species and tomato were chosen, which differ in principle in their reaction to a low phosphate nutritional status such as root growth characteristics and secretion of protons and carboxylates. As approach two nutrient solution experiments (Chapter 4 and 5) and a soil experiment with heavy metal polluted soils (Chapter 6) were conducted. In both nutrient solution experiments the well-described root-induced changes such as proton and carboxylate release could be confirmed, which were intensified at higher atmospheric CO2 concentrations (Chapter 4 and 5). Surprisingly the detected increase in proton (tomato) and caboxylate release (particularly by white lupin) with a simultaneously increased mobility of Cu and Cd in the soil did not result in an increased concentration of heavy metals in roots and shoots of the growth experimental plants. The unexpected finding in chapter 6 were discussed in the outlook of chapter 6 (6.7) and a repetition of this experiment with consideration of the discussed aspects is urgently recommended.

Im Zuge steigender anthropogen-bedingter Schwermetallbe-lastungen seit der Industrialisierung im vorletzten Jahrhundert wächst die Sorge um die Belastung der Nahrungskette mit toxischen Schwer-metallen für Mensch und Tier. Gleichzeitig kann die beobachtete Zunahme der atmosphärischen CO2-Konzentration das Pflanzen-wachstum fördern. Aber auch die chemischen Veränderungen in der Rhizosphäre durch eine bei höherer CO2-Konzentration geförderten Photoassimilat-Allokation in die Wurzeln können zu einer erhöhten Mobilität und Aufnahme von toxischen Schwermetallen durch Kultur-pflanzen führen. So war es die Aufgabe der vorliegenden Forschungsarbeit, in Rahmen einer Promotion den möglichen Einfluss einer steigenden CO2-Außenkonzentration über eine Intensivierung der chemischen Rhizosphären-Bedingungen auf die Schwermetallaufnahme bei ausge-wählen Pflanzenarten zu untersuchen. Diese Untersuchungen sollten sich an jene von Egle (2003) in Göttingen anschließen, die ebenfalls den Einfluss von Rhizosphären-Veränderungen auf die Mobilität und Aufnahme von Schwermetallen nachgingen; aber nicht die atmos-phärische CO2-Konzentration berücksichtigten. Als Pflanzenarten wurden wie bei Egle (2003) Lupinenarten sowie die Tomate gewählt, die sich in ihren Reaktionen auf niedrigen Phosphat-Versorgungsgrad prinzipiell unterschieden (verändertes Wurzelwachstum; pH-Absenkung in der Rhizosphäre; Abgabe von Carboxylaten als Wurzelexsudate). In der vorliegenden Arbeit wurde zuerst in 2 Nährlösungsver-suchen (Kapitel 4 und 5) die Reaktion der Versuchspflanzen auf Phosphat-Mangel und unterschiedliche atmosphärische CO2-Konzen-tration hinsichtlich Veränderungen im Wurzelwachstum, Protonenab-gabe sowie Wurzelexsudation von Malat und Citrat untersucht. In einem 3. Versuch mit Schwermetall-belasteten Böden wurden dann die Auswirkung auf Mobilität und Aufnahme von Schwermetallen bestimmt. In den einzelnen Versuchen konnten die bekannten, durch Phosphat-Mangel-induzierten Veränderungen bestätigt werden. Auch konnte durch Erhöhung der atmosphärischen CO2-Konzentration die Protonen- und Carboxylatabgabe bei der Tomate bzw. Weißlupine erhöht werden. Diese Intensivierung der chemischen Rhizosphärenbe-dingungen wurde auch in Boden-gewachsenen Versuchspflanzen gefunden. Überraschenderweise und nicht nachvollziehbar hatten diese nachweislichen Veränderungen im Wurzelstoffwechsel mit Auswir-kungen auf die Rhizosphären-Chemie zu keiner Erhöhung der Schwer-metallaufnahme geführt. Als Ursachen wurden im Ausblick des Kapitels (6.7) verschiedene Ursachen diskutiert mit der Empfehlung, diesen Versuch unter Beachtung der diskutierten Punkte zu wiederholen.