Masterarbeit

Effekt der Wurzelatmung auf die Arsenspeziierung in der Rhizosphäre von Reispflanzen

Lena Brüggenwirth (12/2017-01/2019)

Betreuer: Britta Planer-Friedrich, Jiajia Wang, Carolin Kerl

Für mehr als die Hälfte der Weltbevölkerung ist Reis das Hauptnahrungsmittel. Reis ist für seine sehr effiziente Aufnahme des toxischen Halbmetalls Arsen (As) bekannt. Die As-Speziierung in Reisböden ist von anorganischen und methylierten As-Spezies dominiert. Neuste Untersuchungen zeigten, dass auch methylierte thiolierte As-Spezies vorkommen können. Die Bildungs- und Umwandlungsprozesse der methylierten thiolierten As-Spezies in der Rhizosphäre von Reispflanzen ist bisher unerforscht, obwohl die Rhizosphäre aufgrund der Wurzelatmung (ROL) der Reispflanze eine besondere Mikroumgebung im Boden darstellt.

In einem hydroponischen, also sehr kontrollierten Experiment wurde der direkte Effekt von ROL auf die ausgewählten Spezies Monomethylmonothioarsenat (MMMTA), Dimethylmonothioarsenat (DMMTA) und Monothioarsenat untersucht, indem diese drei Reissorten mit unterschiedlichen ROL-Raten ausgesetzt wurden. Zudem wurde in einem Rhizombox- Experiment die Bildung und Umwandlung von methylierten thiolierten As-Spezies über verschiedene Reis-Wachstumsphasen in der Rhizosphäre eines natürlicheren Systems untersucht.

Die Bestimmung der ROL Raten von den drei Reissorten ergaben folgende Reihenfolge: Nongken 57 (NK) > Yangdao 6 (YD) > Arelate (AR). MMMTA wurde durch den ROL zu Monomethylarsenat (MMA) umgewandelt, wohingegen DMMTA und MTA stabil blieben. In dem Rhizombox-Experiment konnten Veränderungen der As Spezies durch unterschiedliche ROL Raten während den verschiedenen Wachstumsphasen beobachtet werden. Mehr oxidierende Bedingungen herrschten in der Bestockungsphase (20 – 30 DAT), wohingegen am Ende während der Reifungsphase (100 DAT) mehr reduzierende Bedingungen herrschten. Die Spezies-Verteilung wurde hauptsächlich von Arsenit, Arsenat, Dimethylarsenat (DMA) und überraschenderweise von DMMTA dominiert, das einen durchschnittlichen Anteil von 15 % an Gesamt-As ausmachte. MMMTA war nur am Ende der Wachstumsphase vorhanden, als die Wurzelaktivität gering war und fast kein Sauerstoff freigesetzt wurde. Im Gegensatz dazu, lagen die MTA-Konzentrationen trotz der Stabilität gegenüber dem ROL während der gesamten Wachstumsphase nah an der Nachweisgrenze.

Diese Arbeit gibt Einblicke in die Bildungs- und Umwandlungsprozesse von methylierten thiolierten As-Spezies in der Reis-Rhizosphäre. Es wurde gezeigt, dass diese Spezies in erheblichen Mengen in der Reis-Rhizosphäre vorkommen können und durch den ROL der Reiswurzeln beeinflusst werden. Der hohe Anteil der hoch toxischen As-Spezies DMMTA während der gesamten Wachstumsphase zeigt, wie wichtig es ist die biogeochemischen Prozesse zu verstehen, die die Bildung und Umwandlung dieser As-Spezies in der Rhizosphäre bestimmen. Dies ist die Grundlage dafür, As-Akkumulation in Reiskörnern zu vermeiden und somit die Lebensmittelsicherheit zu gewährleisten.