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Abstract (German)

Im Rahmen der Arbeit sollte die Akkumulation von Schwermetallen sowie deren Einfluss auf die Synthese von Phytochelatinen in Faserhanfpflanzen - bzw. Zellkulturen (Cannabis sativa L.) untersucht und mit anderen Pflanzen oder Zellkulturen verglichen werden. Zudem sollte die Einsatzfähigkeit von Faserhanf zur Remediation schwermetallbelasteter Böden bewertet und Nutzungsmöglichkeiten für das geerntete Pflanzenmaterial aufgezeigt werden. Pflanzliche Kalluskulturen von Hanf (Cannabis sativa L. ) und Tomate (Lycopersicon esculentum Mill., Cd2+-resistent) reagierten auf Schwermetalle, besonders auf Cd2+, im Anzuchtmedium mit der Synthese von Phytochelatinen (PC´s, (γ -GluCys)ₙ-Gly). Cd2+-haltiges Anzuchtmedium führte in Hanf-Kalluskulturen zur Akkumulation der Phytochelatine PC₂, PC₃ und PC₄. In den Cd2+-resistenten Tomaten-Kalluskulturen konnten die Phytochelatine PC₂ bis PC₈ nachgewiesen werden. Die Induktion der PC-Synthese war in beiden Kalluskulturen von der eingesetzten Cd2+-Konzentration abhängig. Neben den Phytochelatinen ließen sich in Tomaten-Kalluskulturen eine Vielzahl bislang unbekannter thiolhaltiger Verbindungen nachweisen, bei denen es sich um PC-ähnliche Peptide handelte, denen die Amino-terminale Glutaminsäure fehlt (Cys-(γ -GluCys)ₙ-Gly). Die physiologische Funktion dieser neuen Klasse von PC-Homologen, bei denen es sich um Abbauprodukte von PC´s handeln könnte, ist bislang nicht bekannt. In Hanf-Suspensionskulturen wurde die Akkumulation von Cd2+ über einen Zeitraum von 6 Tagen untersucht. Die Frischgewichtszunahme wurde während des betrachteten Zeitraumes von Cd2+-Konzentrationen bis 40 µM im Medium nicht negativ beeinflusst. Da zu allen Zeitpunkten höhere Cd2+- als PC-Gehalte in den Zellen nachweisbar waren, kann davon ausgegangen werden, dass die Detoxifizierung von Cd2+ in Hanf-Suspensionskulturen nicht ausschließlich über Komplexierung des Cd2+ durch PC´s erfolgte. Hanf-Suspensionskulturen akkumulierten in der Hauptsache PC₃ (59 %). Die Akkumulation von PC´s hing stark von der eingesetzten Schwermetallkonzentration im Medium und der Inkubationsdauer ab. Die dem Medium zugesetzten Schwermetalle ließen sich, aufgrund ihrer Fähigkeit die Synthese von PC´s in Hanf-Suspensionskulturen zu induzieren, folgendermaßen einordnen: Cd2+ > Cu2+ > Pb2+ > Zn2+ > Hg2+ > Ni2+ > Co2+ > Au3+ > Ag+ Im Boden befindliche Schwermetalle reduzierten das Wurzel- bzw. Sprosswachstum von im Gewächshaus angezogenen Hanfpflanzen der Sorte Felina 34 in Abhängigkeit von der eingesetzten Konzentration. Die Reduktion des Sprosswachstums durch im Boden befindliche Schwermetalle war in allen Fällen geringer als die Reduktion des Wurzelwachstums. Eine Erhöhung des Cd2+-Gehaltes im Boden ging mit einer vergleichbaren Erhöhung der Akkumulation von Cd2+ in den Wurzeln der Hanfpflanzen einher. In Wurzeln 10 Tage alter Hanfpflanzen ließen sich bis zu 1100 µM Cd2+/g TG bzw. 880 nM/g TG Pb2+ nachweisen. Eine Erhöhung der Cd2+-Konzentration von 0,1 mM auf 20 mM im Boden führte zu einer Vervierfachung des PC-Gehaltes in den Wurzeln der Hanfpflanzen. PC₃ nahm wie erwartet eine dominierende Stellung bei der Komplexierung des Cd2+ in Hanfpflanzen ein (71,7 %). Hanfpflanzen reagierten wie Hanf-Suspensionskulturen unmittelbar auf das aus dem Boden aufgenommenen Cd2+. 10 Minuten nach Zugabe von 10 mM Cd2+ zum Boden ließ sich in den Wurzeln 9 Tage alter Hanfpflanzen eine 40 %ige Reduktion des GSH-Gehaltes bzw. 70 %ige Reduktion des γ -EC-Gehaltes sowie die Synthese von PC₂ nachweisen. Die für Hanf typische PC-Zusammensetzung wurde 4 h nach erfolgter Cd2+-Zugabe erreicht. Ein Transport von Cd2+ aus den Wurzeln in den oberirdischen Spross führte zur Akkumulation von PC´s in diesen Organen. 8 Wochen nach der Aussaat wurden 82 % des in den Hanfpflanzen befindlichen Gesamt-Cd2+-Gehaltes in den oberirdischen Organen akkumuliert. Unter gleichen Bedingungen angezogene Weizenpflanzen akkumulierten dagegen das aufgenommene Cd2+ während des Wachstumsverlaufes zu 60 % in den Wurzeln und zu 40 % in den oberirdischen Organen. Durch den Anbau verschiedener Nutz- bzw. Wildpflanzen auf mit Klärschlamm gedüngtem Boden im Freiland sollte die Einsatzmöglichkeit dieser Pflanzenarten zur Sanierung schwermetallbelasteter Böden untersucht werden. Betrachtet man die absoluten Cd2+-Gehalte der untersuchten Pflanzen, so lässt sich die folgende Reihe zur Akkumulation von Cd2+ aufstellen: Mais > Beinwell > Springkraut > Sauerampfer > Hanf > Raps > Weizen > Kamille > Brennessel Betrachtet man die relativen Cd2+-Gehalte in den Organen der verschiedenen Pflanzen, so wird deutlich, dass es sich, außer bei Weizen, Brennessel und Sauerampfer, grundsätzlich um sogenannte Wurzelakkumulatoren handelte. Die Untersuchung der Cd2+-, Pb2+- bzw. Ni2+-Gehalte in den als nachwachsende Rohstoffe verwertbaren Organen von Hanfpflanzen (Fasern, Schäben, Blätter und Früchte) ergab, dass sich die höchsten Schwermetallgehalte in den Blättern nachweisen ließen. Die in den untersuchten Rohstoffen nachgewiesenen Ni2+-Gehalte lagen in allen Fällen deutlich über den Cd2+- bzw. Pb2+-Gehalten. Der Vergleich der Schwermetallgehalte mit den zur Zeit gültigen Grenzwerten zeigte, dass ein Einsatz dieser Rohstoffe zur Energiegewinnung in Bio-Heizkraftwerken möglich wäre. Der Einsatz zur Erzeugung von Biodünger oder zur Produktion von Heimtextilien kann aufgrund der hohen Schwermetallbelastung nicht empfohlen werden. Dämmstoffe auf Grundlage der belasteten Fasern oder Schäben könnten dagegen Verwendung finden, wenn eine umweltgerechte Entsorgung, z.B. durch thermische Verwertung, sichergestellt ist.

Abstract (English)

The accumulation of heavy metals and their influence on the synthesis of phytochelatins in fibre hemp plants and cell cultures (Cannabis sativa L.) were investigated and compared with other plants and cell cultures during this study. Additionally the potential of fibre hemp for remediation of heavy metal contaminated soils and the use of the harvested raw materials have been assessed. Callus cultures of hemp (Cannabis sativa L. ) and tomato (Lycopersicon esculentum Mill.) responded to heavy metals, especially Cd2+, in the growth medium by synthesis of phytochelatins ((γ -GluCys)ₙGly, PCs). Cd2+ containing growth medium lead to the accumulation of PC₂, PC₃ und PC₄ in hemp callus cultures. In Cd2+ -resistant tomato callus cultures PC₂ to PC₈ were detected. In both callus cultures the induction of PC synthesis depended on the Cd2+ concentration in the growth medium. In addition some minor peaks in the HPLC elution profile of tomato callus cultures were identified as a novel variant of PCs with a missing amino-terminal glutamic acid (Cys-(γ -GluCys)ₙ-Gly). As for now these structures can be explained as degradation products of PCs. Their role in the detoxification of cadmium has yet to be determined. The accumulation of Cd2+ was investigated in hemp suspension cultures over a period of 6 days. The increase of fresh weight wasn´t affected negatively by Cd2+ concentrations up to 40 µM over the whole growing period. The amount of Cd2+ in the cells was always higher than the amount of PCs. Evidently the detoxification of Cd2+ in hemp cell suspension cultures is not exclusively a result of complexation by PCs. Hemp suspension cultures accumulated mainly PC₃ (59 %) when exposed to Cd2+. The accumulation of PCs in hemp suspension cultures depended on the heavy metal concentration in the growth medium and on the incubation time. Metals can be grouped according to their ability to induce PC formation in hemp suspension cultures: Cd2+ > Cu2+ > Pb2+ > Zn2+ > Hg2+ > Ni2+ > Co2+ > Au3+ > Ag+ The growth of roots and shoots of the hemp plants (variety: Felina 34) growing under greenhouse conditions was reduced by heavy metals in the soil. The reduction of the shoot growth was slighter in all cases than the reduction of root growth. An increase in the Cd2+ concentration of the soil resulted in a similar increase in the accumulation of Cd2+ by roots of hemp plants. In roots of 10 day old plants up to 1100 µM Cd2+/g dw or 880 nM/g dw Pb2+ were detected. An increase in the Cd2+ concentration from 0,1 mM to 20 mM in the soil resulted in a 4-fold higher PC content in roots of hemp plants. PC₃ is the most abundant PC in hemp plants under these conditions (71,7 %). Hemp plants responded like hemp suspension cultures immediately to Cd2+ accumulated from the soil. After 10 minutes of exposure to soil contaminated with 10 mM Cd2+ a rapid decline in the levels of GSH (40 % reduction) and γ -GluCys (70 % reduction) was detected. At the same time PC₂ appeared for the first time. The typical PC pattern of hemp plants was reached 4h after adding Cd2+ to the soil. Transport of Cd2+ from roots to shoots resulted in accumulation of PCs in the above ground organs of hemp plants. 8 weeks after planting 82 % of the total amount of Cd2+ was detected in the above ground organs. In Wheat plants (Triticum aestivum L.) 60 % of the Cd2+ was located in the roots and 40 % in the shoot after growing under the same conditions as hemp plants. The cultivation of different crop and wild plants on soil contaminated with sewage sludge was used to investigate the potential of these plants for remediation of heavy metal polluted soils. The cultivated plants were grouped according to the absolute amounts of Cd2+ accumulated by them: Zea mays > Symphytum officinale > Impatiens glandulifera > Rumex crispus > Cannabis sativa > Brassica napus > Triticum aestivum > Matricaria inodora > Urtica dioica The amount of Cd2+ in the organs of the different plants showed that, with the exception of Triticum aestivum, Urtica dioica and Rumex crispus, all plants were root accumulators. The investigation of the amounts of Cd2+, Pb2+ and Ni2+ in the raw materials deriving from hemp plants (fibres, chives, leaves and fruits) showed that the highest heavy metal contents can be found in the leaves. The amount of Ni2+ was always higher in the different raw materials than the amount of Cd2+ and Pb2+. Comparison of heavy metal contents in the raw materials with the valid limits showed that the use of this resource for energy production in bio power stations is possible. The use of fibres deriving from the renewable resource hemp for the production of fertilizers or home textiles can´t be recommended because of the high heavy metal contamination found in the raw material. Building materials and some industrial used textiles made of contaminated fibres and chives can be used but it has to be impounded, for example by thermic utilization, that the following disposal is not harmful to the environment.

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