Analyse des Transferverhaltens von Americium und Europium in Pflanzen mittels Spektroskopie und Massenspektrometrie

Abstract

Die ökologischen Folgen der Freisetzung von Radionukliden durch den Reaktorunfall in Tschernobyl 1986 sind noch bis heute spürbar. Unter den vielen emittierten Radionukliden stellt das Americiumisotop Am-241 zum jetzigen Zeitpunkt den dominierenden α-Emitter in der Sperrzone dar und kann von Pflanzen aus kontaminiertem Boden aufgenommen werden. Damit öffnet sich ein Pfad in die menschliche Nahrungskette. Um die Aufnahme auf makroskopischer Ebene zu verstehen, wird Winterroggen (Secale cereale L.) mit Americium und dem chemischen Homolog Europium kontaminiert und Speziesanalysen durchgeführt. Mit einer Kombination aus Lumineszenz-Spektroskopie, Mikroskopie und hochauflösender Massenspektrometrie konnten erste chemische Verbindungen identifiziert werden. Dazu fand die Aufzucht der Pflanzen im flüssigen Nährmedium, der Hoagland-Lösung, statt. Im Hoagland-Medium wurden Veränderungen der Europiumspezies nach Pflanzenkontakt untersucht und die Aufnahme des Eu3+-Ions und von [Eu(H2EDTA)]+ festgestellt. Außerdem zeigten die Ergebnisse die Anwesenheit des Pflanzenexsudats Malat komplexiert mit Europium. Anhand der Lumineszenz-Mikroskopie wurde erstmals die Speziesverteilung von drei Eu-Verbindungen mit organischem und anorganischem Phosphat sowie eine Protein-Spezies bildgebend dargestellt und Akkumulationen in bestimmten Pflanzenregionen sichtbar gemacht. Dazu ergaben Extraktionsexperimente mögliche Eu-Malat, Eu-Citrat und Eu-Aspartat- Verbindungen in der Pflanzenwurzel, welche auf einen Einfluss in den Pflanzenmetabolismus der Mitochondrien hindeuten. Weitere Informationen über die Aufnahme von Europium und Americium in Pflanzen wurde durch Untersuchungen der Auswirkung der Komplexbildner EDTA, Citrat, Malonat und Oxalat nach Zugabe zum Nährmedium erhalten und Spezies in Lösung identifiziert. Die erhaltenen Ergebnisse geben erstmalig Hinweise auf das Verhalten von Europium- und Americiumspezies in Secale cereale L. und weisen auf verschiedene Transportmechanismen in Anwesenheit von organischen Komplexbildnern hin. Einhergehend mit den unterschiedlichen Eigenschaften der identifizierten Komplexe in Bezug auf die Resorption im menschlichen Körper, kann die Toxizität variieren. Dies unterstreicht die wichtige Rolle der Speziesanalyse bei der Gefährdungsbeurteilung von Radionukliden.

Ecological consequences of the radionuclide release during the Chernobyl nuclear accident 1986 are still being observed today. Among various released nuclides, the long-lived americium isotope 241Am represents the dominating α-emitter in the Chernobyl exclusion zone. Americium can enter the human food chain via uptake from contaminated soil by plants. In this work, the plant uptake of americium, its homologue europium, and their chemical species in plants were investigated on microscopic scale. For this purpose, Secale cereale L. (winter rye) was grown as hydroponics in the Hoagland-solution. By using a combination of luminescence spectroscopy, microscopy, and high-resolution mass spectrometry, chemical compounds were identified in plant and solution. In the nutrition medium, changes in the europium species after plant contact and the possible uptake of Eu3+ ions and [Eu(H2EDTA)]+ was determined. Afterwards, europium malate species were identified in the Hoagland-medium, whereby the organic ligand acts as plant exudate. In winter rye, at least three europium species were determined with the possible binding to organic and inorganic phosphate groups as well as a protein-bound species. In combination with luminescence microscopy, the species distribution was shown to be different for each species inside the plant parts. Extraction experiments resulted in possible europium malate, citrate, and aspartate compounds inside the plant root, indicating an impact on the plant metabolism in the mitochondria. Furthermore, the influence of the complexing agents EDTA, citrate, malonate, and oxalate on the europium and americium uptake was investigated. After the addition to the nutrition medium chemical species were identified. For the first time, evidences on the behaviour of europium and americium species in Secale cereale L. have been obtained and point to different transport mechanisms in the presence of organic complexing agents. Along with the different properties of the identified complexes with respect to the resorption into the human body, the toxicity varies. This highlights the important role of species analysis for the risk assessment of radionuclides.