Ein gewöhnlicher Pilz giftiges Quecksilber aus dem Boden und Wasser entfernt

Ein Forscher der University of Maryland und seine Kollegen haben herausgefunden, dass der Pilz Metarhizium robertsii Quecksilber aus dem Boden um Pflanzenwurzeln sowie aus Süß- und Salzwasser entfernt. Die Forscher haben den Pilz auch gentechnisch verändert, um seine Quecksilber-Entgiftungswirkung zu verstärken.

Die Quecksilberverschmutzung von Böden und Gewässern ist eine weltweite Bedrohung für die öffentliche Gesundheit. Diese neue Arbeit deutet darauf hin, dass Metarhizium einen kostengünstigen und effizienten Weg bieten könnte, um Pflanzen, die in verschmutzten Gebieten angebaut werden, zu schützen und quecksilberhaltige Wasserläufe zu sanieren.

Die Studie, die von UMD-Professor für Entomologie Raymond St. Leger und Forschern im Labor seines ehemaligen Postdocs Weiguo Fang (jetzt an der Zhejiang-Universität in Hangzhou, China) durchgeführt wurde, wurde am 14. November 2022 in Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlicht.

„Dieses von Dr. Fang geleitete Projekt hat herausgefunden, dass Metarhizium Pflanzen daran hindert, Quecksilber aufzunehmen“, sagte St. Leger. „Obwohl die Pflanze in verunreinigten Boden gepflanzt wurde, wächst sie normal und ist essbar. Darüber hinaus kann der Pilz allein sowohl Süß- als auch Salzwasser schnell von Quecksilber befreien.“

Metarhizium ist ein nahezu allgegenwärtiger Pilz, und frühere Arbeiten des St. Leger-Labors hatten gezeigt, dass es Pflanzenwurzeln besiedelt und sie vor pflanzenfressenden Insekten schützt. Wissenschaftler wissen, dass Metarhizium oft eines der wenigen Lebewesen ist, die in Böden von giftigen Standorten wie Quecksilberminen gefunden werden. Bisher hatte jedoch niemand herausgefunden, wie der Pilz in quecksilberverseuchten Böden überlebte oder ob dies Auswirkungen auf die Pflanzen hatte, mit denen der Pilz normalerweise lebt.
St. Leger und andere Kollegen hatten zuvor das Genom von Metarhizium sequenziert, und Fang bemerkte, dass es zwei Gene enthält, die den Genen in einem Bakterium, von dem bekannt ist, dass es Quecksilber entgiftet oder biologisch saniert, sehr ähnlich sind.

Für die aktuelle Studie führten die Forscher verschiedene Laborexperimente durch und stellten fest, dass mit Metarhizium infizierter Mais genauso gut wuchs, unabhängig davon, ob er in sauberen oder mit Quecksilber beladenen Boden gepflanzt wurde. Darüber hinaus wurde im Pflanzengewebe von Mais, der in verschmutzten Böden angebaut wurde, kein Quecksilber gefunden.

Anschließend veränderten die Forscher die Pilze genetisch und entfernten dabei die beiden Gene, die denen in Quecksilber-Sanierungsbakterien ähnelten. Als sie ihre Experimente wiederholten, schützte das modifizierte Metarhizium Maispflanzen nicht mehr vor quecksilberhaltigem Boden und der Mais starb.

Um zu überprüfen, ob die Gene über die entgiftenden Eigenschaften verfügen, fügten die Forscher sie in einen anderen Pilz ein, der Mais normalerweise nicht vor Quecksilber schützt. Der neu veränderte Pilz wirkte wie das Metarhizium und schützte die Pflanzen vor quecksilberhaltigem Boden.

Mikrobiologische Analysen ergaben, dass die betreffenden Gene Enzyme exprimierten, die hochgiftige organische Formen von Quecksilber in weniger toxische, anorganische Quecksilbermoleküle abbauen. Schließlich haben die Forscher Metarhizium gentechnisch verändert, um mehr entgiftende Gene zu exprimieren und die Produktion entgiftender Enzyme zu steigern.

In ihrem letzten Experiment stellten die Forscher fest, dass sie durch das Einmischen von Metarhizium in 48 Stunden Quecksilber aus Süß- und Salzwasser entfernen konnten.

Der nächste Schritt besteht darin, in China Feldexperimente durchzuführen, um herauszufinden, ob Metarhizium toxische Umgebungen in produktive Felder für den Anbau von Mais und anderen Feldfrüchten verwandeln kann. Aktuelle Methoden zur Sanierung verschmutzter Böden erfordern die Entfernung oder Neutralisierung von Giftstoffen aus ganzen Feldern, bevor etwas gepflanzt werden kann. Das kann sehr teuer sein und lange dauern. Aber Metarhizium entgiftet lediglich den Boden, der die Pflanzenwurzeln unmittelbar umgibt, und verhindert, dass die Pflanzen das Gift aufnehmen.

„Das Wachstum von Pflanzen in quecksilberreichen Umgebungen ist eine der Möglichkeiten, mit denen dieser Pilz seine Pflanzenheimat schützt“, erklärte St. Leger. „Es ist die einzige uns bekannte Mikrobe mit dem Potenzial, auf diese Weise eingesetzt zu werden, da die Bakterien mit den gleichen genetischen Fähigkeiten zur Entgiftung von Quecksilber nicht auf Pflanzen wachsen. Aber Sie können sich vorstellen, einfach Samen in Metarhizium zu tauchen und entsprechende Pflanzen anzupflanzen.“ jetzt vor quecksilberreichen Böden geschützt.“

Zusätzlich zu seinem Potenzial als kostengünstiges Instrument zur Rückgewinnung verschmutzter Flächen für die Landwirtschaft kann Metarhizium dazu beitragen, Quecksilber aus Feuchtgebieten und verschmutzten Wasserstraßen zu entfernen, die zunehmend durch Quecksilberverschmutzung bedroht sind, da der Klimawandel und schmelzender Permafrost die Freisetzung des giftigen Metalls in Böden beschleunigen und Ozeane.

Quelle: Phys.org