Aufnahme von Spurenelemente

Aufnahme von Spurenelementen

Blumentiere werden unsere Korallen auch genannt. Damit stellt sich die Frage, sind Korallen nun Blumen (Pflanzen) oder Tiere? Tatsächlich gehört die Klasse der Blumentiere (Anthozoa) zu den Nesseltieren (Cindaria). Die Korallen sind also Tiere. Dieser Dualismus (Pflanze oder Tier) wird bei der Ernährung der Koralle deutlich.

Der Korallenpolyp fängt z. T. aktiv Plankton und nimmt außerdem gelöste organische Stoffe auf. Die Algen im Gewebe der Korallen betreiben Photosynthese. Mit den energiereichen Verbindungen, die sie dabei aufbauen, ernähren sie den Korallenpolypen. Ist die Koralle in Stress, stößt sie diese Algen (Zooxanthelen) ab und es kommt zum Ausbleichen des Gewebes. Dieser Vorgang ist auch als Korallenbleiche bekannt. Die Polypen ihrerseits liefern den Algen die zum Wachstum notwendigen Verbindungen, wie Kohlendioxid und stickstoffhaltige Verbindungen.

Die Wege, auf denen Spurenelemente aufgenommen werden möchten wir vereinfacht in drei Gruppen aufteilen:

Diffusion, bei denen Ionen von der Außenseite mit hoher Konzentration entlang des Konzentrationsgradienten nach innen fließen, wo die Konzentration niedriger ist.

Spurenelemente sind Bestandteil der Nahrung, die der Polyp einfängt.

Beim dritten Aufnahmeweg sind spezialisierte Proteine in der Algen Membran notwendig. Dabei werden drei Klassen von Proteinen unterschieden(9):

1.    Kanalproteine: hier fließen die Ionen ohne Energieverbrauch durch einen Kanal hindurch.

2.    Trägerproteine: diese Proteine binden die Elemente an ihrer Oberfläche und geben die Elemente nach Durchtritt durch die Membran wieder ab. Solche Transportproteine sind in der Regel kleine Proteine, die aus nur 309-476 Aminosäuren bestehen (10).

3.    Pump-Proteine: diese Proteine verbrauchen beim Element Transport Energie.

Abb1: Transportwege für Spurenelemente durch die Zellmembran.

 

 

 

 

 

 

Damit die Spurenelemente von der Zelle aufgenommen werden können, müssen sie in einer biologisch aktiven Form vorliegen; eine Auswahl an Spurenelementen und ihrer biologisch aktiven Form wird in nachfolgender Tabelle gegeben.

Tab.3: Biologisch aktive Form wichtiger Spurenelemente.

 

 

 

 

 

 

 

Was ist die praktische Bedeutung für den Aquarianer.

Die biologisch aktiven Formen der einzelnen Spurenelemente sind nicht dauerhaft stabil sondern können in Abhängigkeit der Aquarium Parameter (Temperatur, Licht, pH etc.) in andere Oxidationsstufen übergehen. Dabei bleiben die Elemente in ihren unterschiedlichen Oxidationsstufen im Aquarium erhalten. Wenn der Aquarianer nun das Wasser von seinem Aquarium analysiert, liefert das einzelne Messergebnis jeweils die Summe aller Oxidationsstufen des betreffenden Spurenelementes.

Wie groß der Gehalt der Elemente in der richtigen Oxidationsstufe ist, die die Koralle zur Ernährung benötigt, läßt sich aus dem gewonnen Meßergebnis nicht ableiten.

 Im Meerwasser sind die Ionen oft an unterschiedliche organische Moleküle gebunden. Eine besondere Rolle spielen dabei die Siderophores (nicht proteinogene Aminosäuren), die von Bakterien gebildet werden und Chelat Komplexe mit den Spurenelementen bilden können. Diese Komplexe sorgen chemisch dafür, dass die Spurenelemente in Lösung gehalten werden und nicht ausfallen.

 Abb.2: Bakterielle siderophores.

 

 

 

 

 

 

 

Verteilung der Spurenelemente in der Koralle

Wie verteilen sich die aufgenommenen Spurenelemente in der Koralle und wie viele Spurenelemente nimmt eine Koralle auf?

Heute ist bekannt, dass sowohl Weichkorallen wie Steinkorallen Spurenelemente aufnehmen (21). Die Literaturwerte zur Konzentrationsverteilung der Spurenelemente im Gewebe der Koralle wurden unter anderem von BALLING 2008 (17) zusammen gestellt.

Den größten Teil der aufgenommen Spurenelemente findet man in den Zooxanthelen und danach im Außengewebe der Korallen. Im Kalkskelett findet man die geringste Konzentration an Spurenelementen (19).

Solche absolute Mengenangaben von Spurenelementen im Skelett der Korallen haben sich heute überholt, da der Gehalt der Spurenelemente in der Koralle mit der Spurenelement-konzentration in dem sie umgebenen Meerwasser korreliert.

[WICHTIG FÜR DIE DOSIERUNG FARBGEBENER SPURENELEMENTE!!!]

 Daher werden die  Korallen heute auch als Bioindikatoren für die Verschmutzung der Meere verwendet.

Eine chinesische Arbeitsgruppe um Xuefin Chen hat den Gehalt von Schwermetallen in der Koralle Poritas aus der Süd Chinesischen See untersucht (52). Betrachtet wurden Einlagerungen über einen Zeitraum von 159 Jahren .

Abb.3: Einlagerung von Kupfer im Skelett der Koralle poritas über einen Zeitraum von 159 Jahren.

 

 

 

 

 

Die Kinetik der Spurenelement Aufnahme

Über die Kinetik der Spurenelementaufnahme und die Faktoren, die die Element- Aufnahme beeinflussen, gibt es nur sehr wenig Informationen.

HEDOUIN et al. benutzten zu Ihren Versuchen radioaktiv markiertes Nickel. Für die Nickel Aufnahme im Kalkskelett postulieren sie einen linearen Mechanismus, der von der Zeit- und Elementkonzentration im Wasser abhängig ist, während sie für die Anreicherung im Außengewebe eine Expotentialfunktion vorschlagen (19). CHAN et al (2012) berichten über einen linearen Anstieg der Spurenelementkonzentration Cu und Zn mit der Zeit im Gewebe der untersuchten Korallenarten.

Den Einfluss des pH -Wertes auf die Aufnahme des Spurenelementes Zink haben HOULBREQUE et al an der Koralle stylopora pistillata untersucht (20). Dabei hielten sie die Koralle einmal bei einem pH -Wert von 8,1 und zum Vergleich bei einen pH-Wert von 7,8 (-7,5). Als Ergebnis zeigte sich, dass die Aufnahme des Spurenelementes Zink bei pH 8,1 höher war wie bei niedrigem pH-Wert, die Kalzifizierung- und Photosyntheserate wurden durch den niedrigeren pH-Wert nicht beeinflusst.

Mechanismus der Spurenelementaufnahme

Gut bekannt ist seit langem der Aufnahmemechanismus des Spurenelementes Eisen. Diesen Prozess wollen wir wegen der herausragenden Bedeutung, die dieses Spurenelement hat, hier aufzeigen.

Abb.4: Mechanismus der Aufnahme des essentiellen Spurenelementes Eisen.      

 

       

 

 

 

 

 

Auf der Oberfläche der Zelle befinden sich Enzyme die auf die Bindung des Eisens in seiner Chelat gebundenen dreiwertigen Form spezialisiert sind. Der Eisen(III)chelatkomplex wird im ersten Schritt von dem Enzym der Fe-Chelat-Reductase gebunden. Das Enzym reduziert das dreiwertige Eisen zum zweiwertigen Eisen. Das zweifach positiv geladene Eisen Ion kann durch die Kanalproteine ins Innere der Zelle gelangen.

Die Aufnahme des Spurenelementes Eisen (sowie des Spurenelementes Kobalt) sind heute die einzigen bekannten Beispiele dafür, wo Spurenelemente in chelatisierter Form von Korallen aufgenommen werden.

Im nächsten Kapital geht es um den Spurenelementbedarf der Korallen. Wir berichten über die Resultate die wir in mehrjährigen Versuchsreihen in unseren Versuchsaquarien ermittelt haben.