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Biomineralisationsprodukte

Linke Gnathobase eines Calanoides acutus-Weibchens von cranial. 2,0 keV, WD 8,0 mm.
Gnathobase eines Calanoides acutus-Weibchens von cranial. 2,0 keV, WD 8,0 mm. Im Rückstreubild kann die uneinheitliche Zusammensetzung des Materials an der helleren Färbung der Bereiche mit schwereren Elementen erkannt werden.

Die Biomineralisation ist so alt wie das Leben auf der Erde selbst und die damit verbundene Fähigkeit von Organismen anorganische Materialien auf- bzw. einzubauen ist seit jeher einem Evolutionsprozess unterworfen. Bis heute ist diese Fähigkeit von Labormethoden nicht erreicht worden. Reaktionen bei denen einzigartig kristallisierte Minerale synthetisiert werden oder die Synthese von Verbundstoffen sind nur zwei Beispiele [1]. Allein das Endoskelett des Menschen, die Exosklette von Diatomeen (Kieselalgen) oder die Mundwerkzeuge einiger Crustaceen (Krebstiere) verdeutlichen die Präzision mit der selbst einfache Organismen in der Lage sind mineralisierte Materialien zu synthetisieren [1-3]. Mithilfe der Bioakkumulation reichern sie kontrolliert anorganische Bestandteile im Körper an. Die Gründe für eine solche Anreicherung sind verschieden, resultieren aber immer in einer Optimierung von Materialeigenschaften gezielter Körperregionen [3]. Härte, mechanische Flexibilität, spezifisches Gewicht, Farbe und Haptik sind nur einige Materialeigenschaften, die hierbei eine immense Rolle spielen. Eine detaillierte Beschreibung von Struktur und Form bis in den Nanometerbereich hinein ist eine Grundvoraussetzung, um die Mechanismen in der Biomineralisation zu verstehen.
Copepoden spielen innerhalb des marinen Zooplanktons eine entscheidende Rolle, da sie als Primärkonsumenten des Phytoplanktons die Nahrungsgrundlage vieler Meerestiere bilden [4]. Erkenntnisse über die Ernährungsweise der Copepoden innerhalb der pelagischen Nahrungskette können genutzt werden, um deren ökologische Bedeutung für die betreffende Region verstehen zu können [5]. Den Mundwerkzeugen der Copepoden fällt bei der Nahrungsaufnahme eine Schlüsselfunktion zu.
Die Morphologie der mandibularen Gnathobasen ist dabei von der Nahrungsquelle der Tiere abhängig [7]. Die Gnathobasenmorphologie herbivorer, carnivorer oder omnivorer Copepoden unterscheidet sich dabei beträchtlich, aber auch die elementare und chemische Zusammensetzung des entsprechenden Biomaterials ist verschieden. Heute ist bekannt, dass in Abhängigkeit von der Nahrungsquelle viele Copepodenspezies gezielt Silizium in Form von Silikaten in den Zähnen ihrer Gnathobasen einlagern, was zu einer Stabilitätserhöhung dieser Bereiche führen soll [8].
Wenige Studien konnten bisher zeigen, dass auch andere Elemente wie Kupfer und Zink akkumuliert werden [9], wobei diese die Einlagerung von Silizium als Kofaktoren beeinflussen [10]. Erhöhte lokale Konzentrationen sollen eine Stabilitätserhöhung der betreffenden Gnathobasen-Partien bewirken, so dass eine Aufnahme von harten Nahrungspartikeln (z.B. Diatomeen) erst ermöglicht wird, ohne dass die Zähne oder die Gnathobase bei der mechanischen Beanspruchung beschädigt werden [9, 11].

Abbildungen linke Spalte 300 x 300 µm, rechte Spalte Ausschnittevergrößerung für die beiden äußersten Zähne mit 50 x 50 µm. (PIXE Messungen an Hochenergie Ionennanosonde LIPSION (Uni Leipzig) bei 2.25 MeV und 100-300 pA). Die aus einem Gemisch aus CaCO3 und Biopolymeren bestehende Gnathobase ist an den Spitzen mit Siliziumoxid aufgehärtet. Am Ansatz der Zähne sind viele Spurenelemente, wie Zn, angereichert.

Um den Stellenwert solcher Einlagerungen für die Copepoden besser einordnen zu können, muss die Akkumulation solcher Elemente zuerst analytisch nachgewiesen werden. Viele der bereits bekannten Ergebnisse stützen sich auf qualitative Analysen [8-10]. Für ein gezieltes Verständnis der Vorgänge bei der Biomineralisation an den Gnathobasen der Copepoden ist jedoch eine quantitative Elementanalyse unerlässlich. Die Vielfalt der möglichen Analysenmethoden ist jedoch aufgrund der mikrometerskaligen Gnathobasen stark limitiert. Die zu erfüllenden Randbedingungen der eingesetzten Analysentechniken sind vor allem eine hohe laterale Auflösung kombiniert mit einer hohen Empfindlichkeit.
Als Festkörper-Analysentechniken mit hoher Ortsauflösung und hoher Empfindlichkeit haben sich die Protonen-/ Partikelinduzierte Röntgenemissionsspektroskopie (PIXE) und die Laserablations-Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (LA-ICP-MS) bewährt. Sie erreichen Nachweisgrenzen von wenigen µg/g [12-14] und darunter. Solche Techniken wurden bereits für einige Fragestellungen auf dem Gebiet der Biomineralisation eingesetzt. Um genaue quantitative Analysenergebnisse erhalten zu können, die eine hohe Wiederholrate gewährleisten, können tablettierte Referenzstandards hoher Homogenität verwendet werden, die der Probenmatrix spezifisch angepasst wurden [15, 16]. Diese sollen den eingesetzten Analysentechniken als Kalibrationsstandards dienen [17]. An die Referenzstandards werden hohe Anforderungen in Bezug auf Ihre Korngrößenverteilung, Homogenität, Kristallinität, Dichte oder etwa die Porosität gestellt. Ziel ist dabei eine möglichst ähnliche Wechselwirkungen mit dem Anregungsmedium gewährleisten zu können, wie es mit der Probe der Fall ist. Da die Zusammensetzung von marinen Proben mit inhomogener Elementverteilung recht vielfältig sein kann, existieren bisher für die wenigsten Materialien kommerziell erhältliche matrixmodifizierte Referenzstandards.
Unsere aktuellen Untersuchungen konzentrieren sich daher auf die Präparation geeigneter Standards auf Basis von CaCO3/Chitin/Chitosan für die Elementverteilungsanalyse in Copepoden mit LA-ICP-MS und PIXE, die Quantifizierung von Spurenelementen in Mandibeln unterschiedlicher Copepodenspezies aus arktischen und Nordseegewässern und die Untersuchung der Abhängigkeit der Elementkonzentrationen von Art, Geschlecht und Entwicklungsstadium der Copepoden.

Eingesetzte Analysenverfahren

  • Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie (FE-REM)
  • Elektronenstrahlmikroanalyse (ESMA)
    Energiedispersive Röntenspektroskopie (EDX)
  • Mikro-Röntgenfluoreszenzanalyse (µRFA)
  • Partikel-/ Protoneninduzierte Röntgenemissionsspektroskopie (PIXE)
  • Laserablations-Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (LA-ICP-MS)

Literatur

  1. M. Epple, Biomaterialien und Biomineralisation, erste Auflage, Teubner Verlag, Wiesbaden, 2003
  2. M. Harms, Prinzipien der Biomineralisation: Morphosynthetische Verfahren zur Kristallisation von Calciumcarbonat unter spezieller Betrachtung von amorphen Festkörperphasen, Vdm Verlag Dr. Müller, 2008
  3. S. Berger, Entwicklung von in-situ härtenden Polymer/Apatit-Kompositmaterialien, Dissertation, Technische Universität Bergakademie Freiberg, 2007
  4. A. R. Longhurst, The Structure and Evolution of Plankton Communities, Prog. Oceanog., 15: 1-35, 1985
  5. A. Hardy, The Open Sea. The World of Plankton, Collins London, 1970
  6. J. Michels, Die Bedeutung von Morphologie und Stabilität der Mandibel-Gnathobasen für die Ernährungsweise antarktischer Copepodenarten, Diplomarbeit, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, 2003
  7. K. Itoh, A consideration on feeding habits of planktonic copepods in relation to the structure of their oral parts, Bull. Plankt. Soc. Japan, 17: 1-10, 1970
  8. C. Hamm, Kieselalgenschalen – Spielerei oder Anpassung?, Biol. Unserer Zeit, 33.3: 142-143, 2003
  9. B. K. Sullivan, C. B. Miller, W. T. Peterson, A. H. Soeldner, A scanning electron microscope study of the mandibular morphology of boreal copepods, Mar. Biol. 30: 175-182, 1975
  10. C. B. Miller, D. M. Nelson, C. Weiss, A. H. Soeldner, Morphogenesis of opal teeth in calanoid copepods, Mar. Biol., 106: 91-101, 1990
  11. J. Michels, S. B. Schnack-Schiel, Feeding in dominant Antarctic copepods—does the morphology of the mandibular gnathobases relate to diet?, Mar. Biol., 146: 483-495, 2005
  12. E. A. Preoteasa, R. Georgescu, C. Ciortea, D. Fluerasu, L. Harangus, A. Iordan, F. Severcan, H. Boyar, E. Preoteasa, I. Piticu, D. Pantelica, V. I. Gheordunescu, Standardless PIXE analysis of thick biomineral structures, Anal. Bioanal. Chem., 379: 825-841, 2004
  13. P. M. Outridge, R. D. Evans, Effect of laser parameters and tooth type on the ablation of trace metals from mammalian teeth, J. Anal. At. Spectrom., 10: 595-600, 1995
  14. S. F. Durrant, N. L. Ward, Recent biological and environmental applications of laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry, J. Anal. At. Spectrom., 20: 821-829, 2005
  15. V. R. Bellotto, N. Miekeley, Improvements in calibration procedures for the quantitative determination of trace elements in carbonate material (mussel shells) by laser ablation ICP-MS, Fresenius J. Anal. Chem., 367: 635-640, 2000
  16. V. R. Bellotto, N. Miekeley, Trace metals in mussel shells and corresponding soft tissue samples: a validation experiment for the use of Perna perna shells in pollution monitoring, Anal. Bioanal. Chem., 389: 769-776, 2007
  17. B. P. Jackson, W. A. Hopkins, J. Baionno, Laser Ablation-ICP-MS Analysis of Dissected Tissue: A Conservation-Minded Approach to Assessing Contaminant Exposure, Environ. Sci. Technol., 37: 2511-2515, 2003

Publikationen

  • G. C. Schwartze, Mikrobereichsanalytik an marinen Biomineralisationsprodukten. Copepoden des Südpolarmeeres und der Nordsee, Diplomarbeit (2010), GRIN Verlag GmbH, München, 2011, ISBN 978-3640854387
  • K. Bechstein, J. Michels, J. Vogt, G. C. Schwartze, C. Vogt, Position-resolved determination of trace elements in mandibular gnathobases of the Antarctic copepod Calanoides acutus using a multimethod approach, Anal. Bioanal. Chem., 399: 501-508, 2011, DOI:10.1007/s00216-010-4373-5

Kooperationspartner

  • Dr. Jan Michels, Zoologisches Institut, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
  • Stiftung Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung, Bremerhaven