Innovativer Biosensor: Wie Pflanzen Arsen in Böden aufspüren

Arsen kommt in zahlreichen Böden vor – teils als Kontamination, teils aus natürlichen Quellen. Viele vulkanischen Gesteine enthalten das Schwermetall. Es wird langsam mit dem Regen ausgewaschen. Auch fossile Brennstoffe, deren Verbrennung Arsen freisetzt, sind eine Quelle. Mit dem Regen gelangen Arsen-Verbindungen wieder auf Kulturflächen. Nicht zuletzt kann der Bergbau zum Eintrag von Arsen führen. Das Schwermetall ist mitunter im Abraum zu finden.

Zahlreiche Kulturpflanzen, etwa Tee, Reis, Spinat und zahlreiche Gemüsesorten, akkumulieren Arsen aus Böden. Nehmen Menschen das toxische Element über Lebensmittel langfristig auf, steigt ihr Risiko für Herz-Kreislauf-Erkrankungen wie Herzinfarkt und Schlaganfall, für Diabetes, Geburtsfehler, schwere Hauterkrankungen und für zahlreiche Krebsarten. Forscher der Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART) schätzen, dass anorganisches Arsen allein über Reis zu 50.000 vorzeitigen Todesfällen pro Jahr führt.

Um Landwirte vor der Bedrohung zu warnen, haben sie einen optischen Nanobionic-Sensor entwickelt und in Blätter verschiedener Pflanzen eingebettet. Die Messwerte ihrer neuen Nanosensoren können schnell mit tragbaren, preiswerten Bauteilen ausgelesen werden. Damit gelingt es, Daten kontinuierlich zu erfassen und zu bewerten.

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Sensoren in Pflanzengewebe einbetten

Auch zuvor konnte Arsen in Böden oder Pflanzen mit Techniken der instrumentellen Analytik bestimmt werden. Doch das Verfahren hat einige Nachteile. Man muss regelmäßig Proben nehmen und in ein Labor bringen. Dort werden sie mit Chemikalien aufgeschlossen, um Arsen in eine wasserlösliche Form zu überführen. Erst danach sind Messungen per Massenspektrometrie möglich: ein aufwändiges und kostspieliges Verfahren, das sich nicht vor Ort durchführen lässt. Ergebnisse erhalten Landwirte mit größerem zeitlichem Verzug.

Doch Forscher des SMART-Konsortiums hatten eine Idee. Sie entwickelten optische Nanosensoren, die in Gegenwart von Arsen ihre Fluoreszenzintensität verändern. Solche Tools lassen sich in pflanzliches Gewebe, etwa in Blätter, einbetten, ohne dass Zellen Schaden nehmen. An der Stelle spielen Natur und Technologie zusammen. Manche Pflanzen nehmen über ihre Wurzeln Arsen extrem effizient aus dem Untergrund auf. In löslicher Form gelangt das Schwermetall dann bis zum Sensor, und Fluoreszenzsignale verändern sich.

Die neuartige Methode zur Kopplung von Nano-Sensoren mit der natürlichen Fähigkeit von Pflanzen, Arsen effizient anzureichern, ermöglicht den Nachweis in Echtzeit. Als Hardware kamen kostengünstige elektronische Komponenten wie eine tragbare Raspberry Pi-Plattform und eine CCD-Kamera ähnlich einer Smartphone-Kamera zum Einsatz.

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Experimente mit einem Arsen-anreichernden Farn

Die Forscher evaluierten ihr System mit dem Saumfarn (Pteris cretica), einer beliebten, unscheinbaren Zimmerpflanze, die besondere Eigenschaften hat. Sie reichert Arsen stärker als Nutzpflanzen an, ohne im Wachstum beeinträchtigt zu werden. Sie experimentierten mit unterschiedlichen Konzentrationen des Schwermetalls. Dabei zeigte sich, dass Nanosensoren in der Lage sind, extrem niedrige Arsenkonzentrationen von 0,2 ppb (parts per billion) nachzuweisen. Gesetzliche Grenzwerte liegen in der Größenordnung von 10 ppb.

„Wir gehen davon aus, dass diese Innovation schließlich eine breite Anwendung in der Landwirtschaft und darüber hinaus finden wird“, kommentiert Tedrick Thomas Salim Lew. Er hat die Studien geleitet. Sein Kollege Michael Strano ergänzt: „Dies ist eine enorm wichtige Entwicklung, da wir zum ersten Mal einen Nanobionic-Sensor entwickelt haben, der Arsen aufspüren kann – eine starke Umweltverschmutzung und potenzielle Gefahr für die öffentliche Gesundheit.“ Der neue Sensor sei nicht nur zeiteffizienter, sondern auch genauer und einfacher einzusetzen als ältere Methoden.

Mit neuer Technik bessere Pflanzen züchten

Strano hofft außerdem, dass es dank der innovativen Technologie rascher gelingen könnte, Pflanzen mit besonderen Eigenschaften zu züchten. Sie sollen kaum Arsen über ihre Wurzeln aufnehmen. Besonders interessant wären Reissorten. Nur fehlen derzeit Methoden, um solche Eigenschaften rasch und genau zu erfassen.

Auch die gegenläufige Strategie hat Potenzial für die Praxis: Einige Labors suchen nach Pflanzen, die Arsen deutlich stärker anreichern als Reis oder sonstige Nutzpflanzen. Mit ihnen könnte man Industriebrachen, deren Böden viel Arsen enthalten, mittelfristig sanieren.

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