Inhalte OG2 - Umweltgeochemie

Praktikum OG2 / OS3 Sommersemester 2010 Organisatorisches: Unser Vorschlag ist, aus den beiden Einzelpraktika zu „Wirkung von Fremdstoffen in Ökosystemen“ innerhalb von OG2 (Schwerpunkt: Aufnahme von Fremdstoffen in Pflanzen) und der Projektwoche zu OS3 (Schwerpunkt: Multielement‐ und Spezies‐Analytik mit IC‐ICP‐MS), die mit je 2 SWS veranschlagt sind, ein Gesamtpraktikum von 4 SWS zu machen, das beide Themenschwerpunkte verzahnt und daher auch den Studenten einen besseren interdisziplinären Überblick gibt. Unsere Empfehlung ist daher 
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Für Studenten der Vertiefungsrichtung 3, die Veranstaltung „Wirkung von Fremdstoffen in Ökosystemen“ für 2.5 LP als Wahlpflicht‐Teilmodul und innerhalb des Moduls OS3 die Projektwoche (frei wählbar alternativ zwischen Hydrologie, Bodenökologie und Umweltgeochemie) in der Umweltgeochemie zu belegen Für Studenten der Vertiefungsrichtung 2 entweder o Innerhalb des Moduls OS3 die Projektwoche in der Umweltgeochemie für 2.5 LP als Wahlpflicht‐Teilmodul zu belegen oder o das Modul OS3 komplett für 5 LP zu belegen (dazu gehören neben der Projektwoche in der Umweltgeochemie auch drei Praktika‐Einführungstage über IC‐ICP‐MS (Umweltgeochemie), GC‐MS (Bodenökologie), LC‐MS (Hydrologie) sowie ein Seminar/Vorlesung bei Dr. Michael Radke, Hydrologie) Natürlich können die Praktika aber auch einzeln belegt werden (Aufgaben‐Verteilung siehe unten). Je nach Teilnehmerzahl werden wir zu Beginn des Semesters festlegen, wer was macht und wie viele Experimente sinnvoll abgedeckt werden können. Die Idee ist, dass aus dem Praktikum nicht viele Einzelberichte sondern ein Gemeinschafts‐Forschungswerk entsteht. Sollte sich für die Projektwoche innerhalb OS3 kein Interessent bei uns finden, werden wir die Analytik selbst übernehmen, so dass die Ergebnisse auf jeden Fall den OG2‐Leuten zur Verfügung stehen. Projektidee: Pflanzen müssen sowohl bezüglich Nähr‐ als auch Schadstoffen einen ausgeglichenen Haushalt betreiben, d.h. die Konzentrationen der betreffenden Elemente in einem engen Bereich zwischen „nicht zu niedrig“ (Defizit) und „nicht zu hoch“ (Toxizität) halten („Homöostase“). Ein pflanzentypischer Mechanismus, der diese Homöostasie aufrecht erhält, ist die enzymatische Ausbildung sogenannter Phytochelatine. Phytochelatine sind Polypeptid‐Komplexe aus den Aminosäuren Glutaminsäure, Cystein und Glycin. Die einfachste Phyotchelatin‐Struktur ist γGlu‐Cys‐
γGlu‐Cys‐Gly. Die Phytochelatine binden mit den SH‐Gruppen ihrer Cysteine an Metalle und Metalloide und verhindern so, dass diese an physiologisch wichtige funktionelle Gruppen binden. Die Metall‐Phytochelatine werden in die Vakuole transportiert, wo sie enzymatische Reaktionen des Stoffwechsels im Cytosol nicht mehr stören können. So werden toxische Stoffe unschädlich gemacht und essentielle Stoffe gespeichert. Phytochelatine wurden erst 1985 entdeckt. Im Praktikum soll die Toxizität von Arsen‐Verbindungen für Arabidopsis thaliana untersucht werden. Die Acker‐Schmalwand (Arabidopsis thaliana), auch Schotenkresse genannt, ist eine relativ häufige Pflanzenart aus der Familie der Kreuzblütler (Brassicaceae). Im sechzehnten Jahrhundert wurde sie von Johannes Thal zum ersten Mal im Harz beschrieben. Die Acker‐Schmalwand ist eine unscheinbare, niedrige, einjährige, krautige Pflanze, die Wuchshöhen von bis zu 30 Zentimetern erreicht. Die Grundblätter sind rosettig und ihr Stängel ist rund. Die Blätter am Grund sind meist gezähnt, die Stängelblätter dagegen meist ganzrandig. Sie blüht weiß und die Hauptblütezeit ist von April bis Mai. Die Blüten werden zwei bis vier Millimeter groß. Die Pflanze besitzt zudem Schotenfrüchte, die 10 bis 20 mm lang werden können. Sie wurzelt bis 40 Zentimeter tief. Die Acker‐Schmalwand ist in den gemäßigten Klimazonen auf der ganzen Welt verbreitet. Sie wächst typischerweise in der Ackerunkrautflur, gerne auf offenen sandigen Böden oder in lockeren Magerrasen. Diese Pflanzenart ist in Mitteleuropa ein sogenannter Apophyt (= einheimische Pflanzenart, die auf anthropogene Standorte wechselt und bis zu einem gewissen Grad oder sogar gänzlich auf den Menschen angewiesen ist), da die ursprünglich auf trockenen Waldgrenzstandorten heimische Art auf anthropogene Standorte wechselte, als in Mitteleuropa vor etwa 7.000 Jahren Wälder durch Menschen gerodet wurden, um Platz für Äcker zu schaffen. Diese Standorte waren offener als die meisten natürlichen und sie wurden regelmäßig gestört und boten damit der Acker‐
Schmalwand optimale Lebensbedingungen. Die Acker‐Schmalwand hat keine Bedeutung für die Landwirtschaft, wurde aber seit den 1940er Jahren als Modellorganismus in der Genetik etabliert. 1943 wurde von Friedrich Laibach die Möglichkeit beschrieben, Arabidopsis als Modellpflanze einzusetzen. Die Vorteile, die die Pflanze bietet, sind beispielsweise: 
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Sie hat ein relativ kleines Genom von 125 Megabasen, dessen Sequenzierung im Jahr 2000 abgeschlossen wurde. Das Genom besteht vorwiegend aus kodierenden DNA‐Sequenzen. Sie hat nur 5 Chromosomenpaare (2n = 10), von denen bereits detaillierte Karten erstellt werden konnten. Sie hat einen kurzen Generationszyklus von nur acht Wochen (von der Keimung des Samens bis zur Reife der Samen). Sie lässt sich auf relativ kleinem Raum einfach kultivieren. Es sind bereits viele Mutanten bekannt, die in den Stock‐Centern bestellt werden können. Deren Langzeitaufbewahrung als Samen ist ausgesprochen einfach. Es können genetische Manipulationen durchgeführt werden, z.B. Transformation durch Agrobacterium tumefaciens. Arabidopsis repräsentiert die Physiologie höherer Pflanzen gut (Beispiel Lichtphysiologie). Im Praktikum sollen hydroponische Kulturen von Arabidopsis gezüchtet werden, um zunächst einmal einen Einblick in die Aufnahme rein aus wässrigen Lösungen ohne Sorptions‐ und Fällungsprozesse an Bodenmaterial zu erhalten. Fragestellung OG2: Wie wird Arsen in Abhängigkeit von unterschiedlichen Konzentrationen und Ausgangsspezies in den Wurzellösungen in die Pflanze aufgenommen, in welche Kompartimente dort verteilt und welche physiologischen Veränderungen sind beobachtbar? Fragestellung OS3: Haben Arsen‐Schwefel‐Verbindungen, sog. Thioarsenate, im Vergleich zu Arsenit und Arsenat eine geringe Affinität zu den SH‐Gruppen der Phytochelatine und sind damit schlechter zu komplexieren, d.h. potentiell toxischer durch ungehinderte Interaktion mit funktionellen Gruppen anderer physiologisch wichtiger Komplexe? Lernziel OG2 Pflanzenanzucht in hydroponischer Kultur; Aufnahme und Verteilung von Fremdstoffen (B.: Arsen) in Pflanzen (B.: Arabidopsis thaliana) und Quantifizierung physiologischer Veränderungen Literaturrecherche Arsen‐Toxizität für Arabidopsis thaliana, Arsen‐Phytochelatinbildung Erlernen der Aufzucht von Arabidopsis thaliana Optimale, spezieserhaltende Aufbereitung der Pflanzenteile Alle Experimente werden im Vergleich mit regulären Arabidopsis thaliana und einem PCS defizienten Mutanten durchgeführt (Mutant kann durch Unterdrückung des entsprechenden Gens keine Phytochelatine bilden, so also auch Arsen nicht auf diese Weise detoxifizieren) Toxizität von Mono‐ und Arsenit‐, Arsenat‐, und Tetrathioarsenat sowie Arsenit‐
Dimethylarsenat‐Toxizität; Sulfid Mixen (Pflanzenvorzucht visuelle Bestimmung von erfolgt entweder durch uns oder Wuchsminderungen in Petrischalen‐Vergleichskulturen OG2) Analyse der Wurzellösungen Aufbereitung der Wurzeln, und Pflanzenextrakte auf As‐S‐
Stängel, Blätter (Gefrier‐
totals und Spezies mit Fokus trocknung, Homogenisierung) Ausmessen und Quantifizierung auch auf Phytochelatine mittels IC‐ICP‐MS; evtl. Vgl. mit der Wuchsminderungen an Elektrospray‐
Wurzeln, Stängel und Blättern Massenspektrometrie Qualitätskontrolle Analytik Vgl. der ermittelten Ergebnisse von Verteilung in verschiedenen (Summe Spezies vs. Totals; vgl. Pflanzenkompartimenten sowie IC‐ICP‐MS/ES‐MS), Vgl. Speziesverteilung und –
Wuchsbeeinträchtigungen für veränderungen in Wurzellösung Arsenit, Arsenat und Dimethyl‐
und verschiedenen arsenat für PCS und PCS defiziente Arabidopsis thaliana; Pflanzenkompartimenten soweit vorhanden auch Vgl. mit Literaturwerten Experimente Analytik Auswertung OS3 Speziesselektive Extraktion und Multi‐Element Analytik in schwierigen Matrizes; Bestimmung von Phytochelatinen mittels IC‐ICP‐
MS und evtl. im Vergleich strukturelle Charakterisierung mittels ES‐MS Optimale, spezieserhaltende Extraktions‐ und Analyseverfahren für verschiedene Pflanzen‐
kompartimente Thioarsenat‐Chemie