Ein einfacher chemischer Abstand könnte dabei helfen, vorherzusagen, welche Spurenelemente Pflanzen aufnehmen
Eine grundlegende Eigenschaft hydratisierter Metallionen könnte laut einer neuen Studie, die in der Fachzeitschrift „New Contaminants“ veröffentlicht wurde, eine schnellere und praktischere Methode bieten, um abzuschätzen, wie leicht Spurenelemente aus kontaminierten Böden in Pflanzen gelangen.
Einfache Messgrößen für komplexe Systeme: Der Me–O-Abstand in hydratisierten Kationen ist eine potenziell neue Messgröße zur Vorhersage der Elementaufnahme durch Pflanzen
Hayley Jensen, Niklas Lehto, Peter Almond, Hadee Thompson-Morrison, Sally Gaw & Brett Robinson
„Boden- und Pflanzenuntersuchungen können viel Zeit, Ausrüstung und Ressourcen erfordern, insbesondere wenn viele verschiedene Elemente beteiligt sind“, sagte die Hauptautorin Hayley Jensen vom Bioeconomy Science Institute, Manaaki Whenua Landcare Research, Neuseeland. „Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Abstand zwischen einem Metallion und den umgebenden Sauerstoffatomen im Wasser ein einfacher chemischer Indikator für die Wahrscheinlichkeit seiner Anreicherung im Pflanzengewebe sein könnte.“
Die Kontamination mit Spurenelementen gibt zunehmend Anlass zur Sorge für die Landwirtschaft und die Lebensmittelsicherheit. Elemente, die durch Bergbau, Industrie, Elektronikschrott, Düngemittel und andere menschliche Aktivitäten freigesetzt werden, können in den Boden gelangen und möglicherweise von Nutzpflanzen oder Weidepflanzen aufgenommen werden. Sobald diese Elemente in essbaren Blättern, Getreide, Früchten oder Tierfutter vorhanden sind, können sie in die Nahrungskette gelangen.
Die Vorhersage der Aufnahme durch Pflanzen bleibt jedoch schwierig. Die Bewegung eines Elements durch den Boden und in eine Pflanze hängt vom Säuregehalt des Bodens, der organischen Substanz, der mineralischen Zusammensetzung, der Feuchtigkeit, der Pflanzenart und vielen anderen Faktoren ab. Forscher verwenden üblicherweise einen Bioakkumulationskoeffizienten, der die Konzentration eines Elements im Pflanzengewebe mit seiner Konzentration im Boden vergleicht. Die experimentelle Ermittlung dieser Werte kann kostspielig, zerstörend und zeitaufwendig sein.
Das Forschungsteam untersuchte, ob mehrere grundlegende chemische Eigenschaften dazu beitragen könnten, die Aufnahme durch Pflanzen zu erklären. Ihr Hauptaugenmerk lag auf dem Abstand zwischen Metall- und Sauerstoffatom – bekannt als Me-zu-O-Abstand – in hydratisierten Kationen. Wenn positiv geladene Metallionen in Wasser gelöst sind, werden sie von Wassermolekülen umgeben. Der Abstand zwischen dem Metall und den Sauerstoffatomen dieser Wassermoleküle spiegelt wider, wie stark das Ion mit seiner Hydratationshülle interagiert.
Die Forscher verglichen den Me-zu-O-Abstand, das Ionenpotenzial und den Hydratationsradius mit Daten zur Aufnahme durch Pflanzen aus drei unterschiedlichen Systemen: einem Topfversuch mit mehrjährigem Weidelgras in Christchurch, Weidepflanzen, die an 39 Standorten in ganz Neuseeland gesammelt wurden, und Ölpalmen, die auf Sumatra, Indonesien, wachsen.
Über alle drei Datensätze hinweg reicherten die Pflanzen im Allgemeinen mehr von den Elementen an, deren hydratisierte Ionen längere Me-zu-O-Abstände aufwiesen. Dieser Zusammenhang wurde bei sehr unterschiedlichen Pflanzengruppen und unter verschiedenen Umweltbedingungen beobachtet, was darauf hindeutet, dass diese Kennzahl einen grundlegenden chemischen Einfluss auf die Mobilität von Elementen erfassen könnte.
Der Me-zu-O-Abstand zeigte zudem eine konsistentere Leistung als die anderen untersuchten Eigenschaften. Das Ionenpotenzial stand in umgekehrtem Verhältnis zur Aufnahme durch die Pflanzen, doch war dieser Zusammenhang in einem Datensatz statistisch nicht signifikant. Der hydratisierte Radius zeigte in einigen Fällen starke Korrelationen, doch lagen für mehrere Elemente, darunter neu auftretende Schadstoffe wie Gallium, Indium, Neodym und Gadolinium, keine veröffentlichten Werte vor.
Lanthanide, eine Gruppe von Seltenerdelementen, stellten eine wichtige Ausnahme dar. Ihre Aufnahme nahm mit zunehmendem Abstand von Me zu O ab, entgegen dem bei den meisten anderen Elementen beobachteten Muster. Die Autoren führen diesen Unterschied teilweise auf die ungewöhnlich große Atomgröße und die besondere Chemie der Lanthanide zurück. Zukünftige Modelle müssen Seltenerdelemente daher möglicherweise separat behandeln.
Die vorgeschlagene Metrik könnte besonders wertvoll sein, wenn direkte Messungen nicht verfügbar oder nicht durchführbar sind. Sie könnte Forschern helfen, das Verhalten bisher wenig untersuchter Schadstoffe abzuschätzen, bestehende Datensätze auf weitere Elemente auszuweiten und die Abhängigkeit von Messungen der Bodenverteilung, der Wurzel-Eigenschaften, der Wasserbewegung und anderer komplexer Variablen zu verringern.
Die Ergebnisse machen Boden- und Pflanzenuntersuchungen zwar nicht überflüssig, bieten jedoch eine vielversprechende Grundlage für einfachere Screening-Verfahren und verbesserte Umweltmodelle. Die Forscher empfehlen, den Zusammenhang anhand weiterer Kulturpflanzen, Böden, Klimazonen und Schwermetalle zu überprüfen, bevor er in der routinemäßigen Risikobewertung zum Einsatz kommt.
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