Pflanzen unter Silberstress

Ist Nanosilber (AgNP) eine Gefahr für die Ökosysteme? Nanosilber zählt zu den am häufigsten verwendeten synthetisch hergestellten Nanopartikeln. Wegen seiner antimikrobiellen Eigenschaften wird es in vielen Konsumprodukten eingesetzt und gelangt so auch in die Umwelt. Laborstudien mit Reinkulturen zeigen, dass Nanomaterialien Mikroben-, Pflanzen- und Tierzellen schädigen können.

Reinkulturen sind Zellpopulationen, die durch Vermehrung einer einzelnen Zelle bzw. eines einzelnen Mikroorganismus unter Laborbedingungen erzeugt werden – unter Ausschluss jeglicher Individuen anderer Arten. Ob sich diese Ergebnisse auch auf das natürliche Ökosystem übertragen lassen, haben Forscher nun mit zwei Experimenten untersucht. Sie beobachteten die Reaktionen von 11 Feuchtpflanzenspezies auf Nanosilber in einer Reinkultur (Experiment 1) und in Töpfen mit Erde (Experiment 2).

In der Reinkultur: Effekte auf Keimung und Wachstum

Im Reinkultur-Experiment untersuchten die Forscher, wie sich Nanosilber in unterschiedlichen Formen und Mengen auf die Keimung und das Wachstum der Pflanzen auswirkte. Hierzu ließen sie Samen jeder Spezies entweder in reinem Wasser (Kontrolle) oder in einer Nanosilberlösung quellen und kultivierten diese dann in Petrischalen. Die Nanosilberlösung enthielt Silbernitrat (AgNO3), Polymer beschichtete (PVP-AgNPs) oder Gummi arabicum beschichtete Nanosilberpartikel (GAAgNP). Auch Konzentration der Lösung wurde variiert. Nach 20 Tagen verglichen die Forscher die Keimungsrate (Verhältnis der gekeimten Samen zur Gesamtzahl) sowie die Wurzel- und Sprosslänge der untersuchten Arten.

3 von 11 Arten keimten schlechter, wenn sie mit Gummi beschichteten Nanosilberpartikeln behandelt wurden. Demgegenüber verbesserte Silbernitrat die Keimungsrate von 5 der 11 Arten. Die Polymer beschichteten Partikel hatten keinen Einfluss auf die Keimung. Einige Pflanzen reagierten auf eine Silberbelastung mit einem reduzierten Blattwachstum. Nur eine Pflanze, Carex lurida, wuchs besser. Die drei Formen von Nanosilber riefen je nach Konzentration und Spezies zudem unterschiedliche Effekte hervor: So wuchs Carex lurida nur dann besonders gut, wenn sie entweder mit Polymer beschichteten Partikeln in hoher, Gummi beschichteten Partikel in niedriger oder Silbernitratpartikeln in mittlerer Konzentration behandelt wurde. Mit wenigen Ausnahmen hatten Pflanzen unter Silberbelastung auch deutlich kürzere Wurzeln als Pflanzen der Kontrollgruppe. Besonders groß war dieser Unterschied bei Pflanzen, die mit Gummi beschichteten Partikeln behandelt wurden. Zwei Arten hatte längere Wurzeln unter Silberbelastung – warum? Die Forscher vermuten, dass das Silber den Auxintransport in der Wurzel stört und damit zu einem unkontrollierten Wurzelwachstum führt. Die langen Wurzeln könnten jedoch auch auf eine spezielle Bewältigungsstrategie hinweisen, mit der einige Pflanzenspezies versuchen, einem kontaminiertem Umfeld auszuweichen.

Im Boden: Effekte auf das Wachstum

In einem zweiten Experiment säten die Forscher Samen von je 7 Arten in Töpfe mit homogenisierter Erde. Die Erde besprühten sie entweder mit den unterschiedlichen Silberpartikeln oder mit reinem Wasser. Nach 7 Wochen wurde die Blattbiomasse getrocknet und für jede Spezies gewogen.

Während die Nanopartikel im Boden die Keimung der meisten Arten nicht beeinflussten, zeigten sich deutliche Effekte auf das Wurzel- und Sprosswachstum: Pflanzen, die mit Gummi beschichteten Partikeln behandelt wurden, waren deutlich kleiner als alle anderen Pflanzengruppen – mit einer Ausnahme: das Italienische Weidelgras (Lolium multiflorum) wuchs besser.

Interaktion Pflanze – Nanopartikel

Unterschiedliche Pflanzenarten verkraften eine Silberbelastung also unterschiedlich gut. Abhängig ist diese Reaktion auch von der Partikelart und dem Entwicklungsstadium der Pflanze. Silbernitrat begünstigte die Keimung der Pflanzen in Petrischale und Boden, während die Polymer beschichteten Partikel kaum Effekte hatten. Die Gummi beschichteten Partikel jedoch wirkten sich sowohl auf die Keimung als auch auf das Wurzel- und Blattwachstum negativ aus. Frühere Studien haben gezeigt, dass beschichtete Nanopartikel im Vergleich zu gelöstem Silber in Silbernitrat pflanzliche Zellen schädigen können. Da die Gummi beschichteten Partikel (6 nm) deutlich kleiner sind als die Polymer beschichteten (21nm), können sie die wenige Nanometer großen Poren pflanzlicher Zellen einfacher überwinden – sie reichern sich leichter an und sind toxischer. Auch die Art der Partikelhülle und die Oberflächenspannung könnten die Toxizität beeinflussen. Das vorhandene Silber-Ion verbessert die Bioverfügbarkeit von Nanosilberpartikeln. Physikalisch-chemische Prozesse im Boden und auch Interaktionen mit anderen Pflanzen können diese Bioverfügbarkeit und damit die Anreicherung von Silberpartikeln in Pflanzen jedoch beeinflussen.

Die Wurzel ist das Tor zur Pflanze

Samen sind durch ihre Schale vor schädlichen Substanzen besser geschützt als die Wurzeln und Blätter eines Keimlings. Schädliche Stoffe im Boden erreichen zuerst die Wurzeln, sie werden daher auch schneller geschädigt. Silber wird vor allem in der Wurzel angereichert, der Transport in andere Pflanzengewebe ist gering. Dies könnte erklären, warum sich Nanosilber stärker auf das Wurzelwachstum auswirkt aus auf das Blattwachstum.

Strategie: Flucht oder Ertragen

Warum reagieren Pflanzen, die im selben Boden wachsen, so unterschiedlich auf Nanosilber? Die Forscher vermuten, dass Spezies unterschiedliche Strategien entwickelt haben, um auf hohe Silberkonzentrationen zu reagieren. Während einige Arten versuchen, dem kontaminierten Boden mit langen Wurzeln zu entkommen (Flucht-Strategie), müssten Arten ohne solche Strategien diesen Stress ertragen. Bisher kann aber noch kein klarer Zusammenhang zwischen der Taxonomie und der verfolgten Anpassungsstrategie ausgemacht werden. Die Studie liefert neue Erkenntnisse zum Transport und Verbleib von Nanopartikeln in Boden kultivierten Pflanzen, zu Wechselwirkungen zwischen Pflanze und Nanopartikel sowie zum Einfluss gemischter Pflanzengesellschaften auf die Toxizität von Nanopartikeln. Für die Forschung bleibt aber noch viel zu tun. Prinzipiell lässt sich daraus schließen, dass für technische Substanzen im Rahmen einer Risikobewertung überprüft werden, wie sich diese auf den Menschen und auf natürliche Systeme auswirken.
Quelle:

Yin, Liyan et al. (2012): Effects of Silver Nanoparticle Exposure on Germination and Early Growth of Eleven Wetland Plants. PLoS ONE 7(10): e47674. doi:10.1371/journal.pone.0047674.