In this thesis, the effects of the highly toxic heavy metal cadmium (Cd) on the rootless aquatic model plant Ceratophyllum demersum are investigated on the biochemical and biophysical level. The experiments were carried out using environmentally relevant conditions, i.e. light and temperature followed a sinusoidal cycle, a low biomass to water ratio resembled the situation in oligotrophic lakes and a continuous exchange of the defined nutrient solution ensured that metal uptake into the plant was not limited by the nutrient solution, but the capacity of the plant. Above all, Cd concentrations in the nanomolar range were applied and experiments lasted long enough to observe chronic toxicity.

The toxicity study revealed that the first site of inhibition was the photosynthetic apparatus. The maximal quantum efficiency of photosystem II (PS II) photochemistry in dark adapted state as well as the PS II operating efficiency in actinic light were the first parameters to be reduced. Only afterwards, an increase in reactive oxygen species (ROS) was observed, indicating that they are the result and not the cause of dysfunctional photosynthesis. For most affected parameters, the respective threshold concentration of inhibition or upregulation due to Cd treatment was 20 nM. This is a much lower concentration than applied in many previous studies. All of the observed effects were more pronounced in plants subjected to Cd stress under high light conditions compared to low light conditions, suggesting a protective role of the comparatively larger antenna system of low light grown plants.

Cadmium treatment led to a redistribution of other metals, especially Zn in the tissue of C. demersum as revealed using the non-invasive technique of micro X ray fluorescence (µ XRF) on frozen hydrated leaves. At low Cd concentrations, Zn was found mainly in the epidermis and in the mesophyll. At moderately toxic Cd concentration (20 nM), a higher proportion of Zn was found in the mesophyll. At the highest Cd concentrations, Zn was seemingly stuck in the vein, suggesting that the Zn-exporters were blocked by Cd.

As part of the detoxification process, a changing distribution of Cd with increasing Cd concentrations was observed. No Cd was detected in the plants from the control treatment (no Cd added) and a homogenous distribution of Cd all over the leaf section was revealed at low Cd treatment. However, at moderately toxic and highly toxic Cd concentrations, sequestration of Cd into specific organs and tissues was observed. The process of sequestration, transport and storage of the toxic metal is already known from hyperaccumulator plants. It usually results in metal storage in organs and tissues where it interferes least with the sensitive metabolic processes like photosynthesis and respiration, i.e. the vein and the epidermis. Another detoxification mechanism was induced upon Cd treatment in C. demersum: the metal-chelating ligands phytochelatins (PCs) were detected in extracts from the plants. The induction of different PCs was not proportional to the applied Cd concentration, but occurred in a switch-like manner and specifically for each PC species. The most noticeable increase was PC3 at the threshold concentration of 20 nM Cd.

A combination of different heavy metals and other factors caused the nearly complete lack of macrophytes in an oligotrophic hard water lake (lake Ammelshain). Within the lake, elevated concentrations of Cd (3 nM), Nickel (300 nM) and reduced Phosphate (75 nM) seemed to be responsible for the lack of aquatic plants and were tested for their inhibitory capability in hard and soft water. While the single treatments with non-toxic concentrations of Cd or slightly toxic concentrations of Ni caused no or only minimal toxicity symptoms in C. demersum, they became highly toxic when applied in combination. This negative effect was even more severe under phosphate-limitation. High concentrations of Calcium and Magnesium in the lake water reduced metal toxicity, indicating additional reasons for the absence of macrophytes in the lake. But regarding other freshwater habitats, these measurements revealed that synergistic metal toxicity may be an important influencing factor for the colonisation of soft waters by water plants.

Altogether, the results from this thesis indicate the onset of Cd toxicity and detoxification in a model water plant at a significantly lower level than shown in previous studies.

Diese Arbeit befasst sich mit den Effekten, die das hochtoxische Schwermetall Cadmium auf die wurzellose, aquatische Modellpflanze Ceratophyllum demersum ausübt, welche sowohl biochemisch als auch biophysikalisch ermittelt wurden. Dabei wurden die Stressexperimente unter umweltrelevanten Bedingungen durchgeführt. Dies bedeutet, dass Licht und Temperatur über die Zeit einer sinusförmigen Kurve folgten, dass das Verhältnis von Biomasse zu Wasservolumen in den Aquarien so niedrig war, wie es in einem nährstoffarmen See der Fall ist, und dass frisches Nährmedium ständig zugeführt wurde, damit die Metallaufnahme in die Pflanze nur durch die Aufnahmekapazität der Pflanze, nicht aber durch die Verfügbarkeit limitiert war. Außerdem wurden Cadmiumkonzentrationen im nanomolaren Bereich verwendet und die Behandlungsdauer war lang genug gewählt, um auch chronische Toxizität beobachten zu können.

Durch die Toxizitätsstudie zeigte sich, dass der Photosyntheseapparat der erste Ort der Inhibierung ist. Die maximale Quantenausbeute von Photosystem II (PS II) im dunkeladaptierten Zustand und der Elektronenfluss durch das PS II im aktinischen Licht wurden stark reduziert. Das Auftreten reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) wurde erst nach längerer Behandlungsdauer beobachtet, was darauf hinweist, dass ihre Bildung nicht der Grund, sondern die Folge der nicht-funktionalen Photosynthese ist. Für die meisten der gemessenen Parameter wurde eine Grenzwertkonzentration von 20 nM Cd bestimmt. Ab dieser Konzentration wurde das durch Cadmium ausgelöste verstärkte bzw. verringerte Auftreten eines Effekts beobachtet. Dies ist eine viel geringere Konzentration als in vielen vorherigen Studien eingesetzt wurde. Alle beobachteten Effekte waren stärker ausgeprägt in Pflanzen, die bei hoher (verglichen mit geringer) Lichtintensität unter Cd-Stress standen. Dieser Umstand deutet auf eine schützende Rolle des in Schwachlicht viel stärker ausgeprägten Antennensystems der Pflanzen hin.

Weiterhin führte die Behandlung mit Cadmium zu einer Umverteilung von anderen Metallen im Gewebe der Versuchspflanze, vor allem von Zink, wie mit Hilfe der nichtinvasiven Röntgenfluoreszenz (µ XRF) an schockgefrorenen Blättern festgestellt werden konnte. Während bei geringer und mittlerer Cadmiumkonzentration Zink hauptsächlich in der Epidermis und im Mesophyll der Blätter gefunden wurde, fand bei hochtoxischer Cadmiumkonzentration eine Umverteilung im Gewebe statt. Zink wurde nun vor allem im Leitbündel gefunden, vermutlich weil die Zinktransporter durch Cadmium blockiert waren. Eine Umverteilung von Cadmium bei steigender Konzentration wurde als Teil des Detoxifizierungsprozesses beobachtet. Während kein Cadmium in den Kontrollpflanzen (keine Cadmiumbehandlung) detektiert wurde, konnte bei geringer Cadmiumkonzentration eine homogene Verteilung über den gesamten Blattquerschnitt beobachtet werden. Bei moderat toxischen, sowie hochtoxischen Konzentrationen fand eine Einlagerung von Cadmium in diejenigen Gewebe statt, in denen Cadmium am wenigsten in sensitive, metabolische Prozesse wie Photosynthese und Atmung eingreifen kann. Diese Gewebe sind vor allem das Leitbündel und die Epidermis, wie bereits von Hyperakkumulatorpflanzen bekannt ist.

Als weiterer Entgiftungsmechanismus trat die Induktion der metallbindenden Liganden Phytochelatine (PCs) auf. Die Induzierung der einzelnen PC-Arten war dabei jedoch nicht proportional zur verwendeten Cadmiumkonzentration. Vielmehr gab es für jede PC-Art eine spezifische Grenzwertkonzentration, bei der eine erhöhte Akkumulation gemessen werden konnte. Der auffälligste Anstieg fand für PC3 bei einer Konzentration von 20 nM Cadmium statt.

Eine Kombination verschiedener Schwermetalle sowie anderer Faktoren waren für das beinahe vollständige Fehlen der Makrophytenflora in einem nährstoffarmen See (Ammelshainer See) mit hoher Wasserhärte verantwortlich. In besagtem See waren vermutlich erhöhte Konzentrationen von Cadmium (3 nM) und Nickel (300 nM) bei niedrigem Phosphatgehalt (75 nM) der Grund für das Fehlen der Makrophyten. Daher wurden die Metalle einzeln und in Kombination in Wasser mit geringer und hoher Härte auf ihre inhibitorische Wirkung hin getestet. Einzeln eingesetzt zeigten sich keine (Cadmium) oder nur geringe (Nickel) Stresssymptome. In Verbindung, und vor allem mit zusätzlicher Phosphatlimitation waren die Effekte ungleich schwerwiegender. Im See sorgten allerdings die hohe Wasserhärte, also die erhöhten Konzentrationen von Magnesium und Calcium, für geringere Metalltoxizität, so dass noch weitere Parameter für das Fehlen der Makrophytenflora verantwortlich sein müssen. Allerdings zeigen die Ergebnisse dieser Feldstudie, dass synergistische Hemmung durch die Toxizität mehrerer Metalle eine entscheidende Rolle für die Besiedlung von Gewässern durch Wasserpflanzen haben kann.

Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass sowohl Toxizität als auch Detoxifizierung von Cd in der aquatischen Modellpflanze bei weit geringeren Konzentrationen auftreten, als bisher angenommen.