Einführung

An vielen natürlichen, aber auch anthropogen beeinflußten Standorten finden sich erhöhte Konzentrationen an Schwermetallen. Die Belastung von (Agrar-) Ökosystemen stellt hinsichtlich ihrer wirtschaftlichen Nutzung ein ernsthaftes Problem dar. Daher werden, auch auf internationaler Ebene, verstärkt Bemühungen unternommen, um schwermetallverseuchte Böden zu sanieren und sie dadurch wieder als Nutzflächen (z. B. als Bauland, Ackerboden) verfügbar zu machen. Neben den etablierten Verfahren der Bodensanierung, wie das Abtragen des kontaminierten Erdreichs mit anschließender chemisch-physikalischer Behandlung oder Deponierung, gewinnen in situ Verfahren immer mehr an Bedeutung.

Zu diesen innovativen Sanierungskonzepten gehören Verfahren, bei denen schwermetallakkumulierenden Pflanzen zur Dekontamination belasteter Böden eingesetzt werden. Diese sanfte Strategie der Schwermetallentfernung basiert auf der Aufnahme der Schwermetallionen durch die Wurzeln. Ein Teil der aufgenommenen Schwermetalle wird in den Sproß transportiert, der abgeerntet und schadstoffarm verbrannt werden kann. Diese Anwendungspotential ist der Hauptgrund dafür, daß die Entgiftungsleistungen dieser sog. Schwermetallhyperakkumulatoren von mehr als nur akademischen Interesse sind. Neben der Bodensanierung werden bestimmte Pflanzen sehr erfolgreich zur Abwasserreinigung und -behandlung eingesetzt. Die Entwicklung der Abwasserreinigung durch Pflanzenkläranlagen führte insbesondere in den letzten Jahren zu verbesserten Verfahren und Anlagekonzeptionen.

Pflanzen, welche Schwermetallionen nicht von dem Transport in die Zelle ausschließen können, müssen über effektive molekulare Schutzmechanismen verfügen. Im allgemeinen sind dies Mechanismen, welche auf die Komplexierung von Schwermetallionen durch geeignete Liganden zurückzuführen sind. Dadurch werden toxische Effekte von Schwermetallionen auf das zellphysiologische Geschehen vermindert bzw. die Schwermetallionen in eine biologisch inaktive Form gebracht und anschließend zur Entgiftung in die Vakuole transportiert. Die Ergebnisse umfangreicher Untersuchungen deuten auf eine wichtige Rolle der Phytochelatine (PCs) bei der Komplexierung von Schwermetallionen (insbesondere Cd2+) und den Einfluß der PC-Synthese bei der Toleranzbildung gegenüber Schwermetallbelastung hin.

Die Biosynthese der Phytochelatine leitet sich vom Glutathion (GSH) ab und ist daher eng mit der Cysteinsynthese verbunden. PCs können Schwermetallionen also über die zahlreich in ihnen vorkommenden Thiolgruppen komplexieren.
PCs werden typischerweise durch Cd2+-Ionen und Cu2+-Ionen, aber auch durch andere Schwermetalle (u.a. durch Pb, Ni und Zn) induziert. Cd2+-Ionen sind die stärksten Induktoren, Zn2+-Ionen induzieren hingegen sehr schwach und nur in hohen Konzentrationen.

Die Verbesserung der Cd2+-Akkumulationseigenschaften von Pflanzen durch Manipulation des GSH-Metabolismus‘ setzt das Verständnis der zugrundeliegenden molekularen Vorgänge voraus. Hierzu sollten die im Rahmen der Promotion "Zur Glutathionbiosynthese in Brassica juncea" durchgeführten molekularphysiologischen Arbeiten an Brassica juncea unter Schwermetallstress (insbesondere nach Cd2+- und Cu2+-Exposition) und die zellbiologischen Untersuchungen zur subzellulären Lokalisation der GSH-Biosyntheseenzyme einen Beitrag leisten.