Wird Bt-Toxin aus gentechnisch verändertem Mais im Boden gebunden?

(2001 – 2004) Universität Göttingen, Institut für angewandte Biotechnologie Universität Trier, Abt. Bodenkunde/Bodenchemie

Thema

Bei diesem Projekt geht es um die Auswirkungen der Freisetzung transgener Bt-Maissorten auf den Boden. Es soll untersucht werden,

  • ob und in welchen Mengen das Bt-Toxin aus dem Bt-Mais in den Boden übertritt,
  • in welchem Maße es dort überdauert und seine insektizide Wirkung behält,
  • welche Eigenschaften der Böden die Bindung des Bt-Toxins beeinflussen.

Zusammenfassung

Die Böden der drei Standorte zeigen eine ähnliche mineralogische Zusammensetzung mit hohen Tonmineraliengehalten. Diese weisen eine große Oberfläche auf, was die Bindungsmöglichkeit des Bt-Toxins begünstigt. Allerdings sind die Tonmineralien auch stark geladen, was wiederum eine Bindung hemmt.

Aufgrund der eingearbeiteten Ernterückstände zeigen die oberen Bodenschichten höhere Gehalte an organischer Substanz als die Unterböden, was ebenfalls eine Bindung behindert.

Versuchsbeschreibung

Es wurden die Böden der Freisetzungsstandorte untersucht, die im Rahmen des Verbundes Mais angelegt wurden.

Eigenschaften der Böden

Um allgemeine Aussagen über die Bindung des Bt-Toxins in den Böden der Versuchsstandorte treffen zu können, wurden die Inhaltsstoffe der Böden analysiert:

  • Mittels Röntgenbeugungsanalyse wurde die tonmineralogische Zusammensetzung der Böden bestimmt.
  • Die organischen Substanzen wurden quantitativ bestimmt.
  • Die Oberflächenladung und die Oberflächengröße der Bodenpartikel wurden charakterisiert.

Bindung des Toxins im Boden

Um den Rückhalt des Bt-Toxins im Boden näher erfassen zu können, wurde eine definierte Menge an Boden mit Bt-Toxin-Lösung steigender Konzentrationen versetzt. Aus der Differenz der Bt-Toxinkonzentrationen zu Beginn und am Ende des Versuchs in den jeweiligen Lösungen erfolgte die Berechnung der gebundenen Menge von Bt-Toxin an den Bodenproben. Die Auswertung der Untersuchungen erfolgte mittels so genannter Sorptionsisothermen (Auswertungskurven), mit deren Hilfe die gebundene Menge an Bt-Toxin in Abhängigkeit von der Bt-Toxin-Konzentration festgestellt werden kann. Mit diesen Sorptionsisothermen können schließlich die Eigenschaften der verschiedenen Böden verglichen werden. Daraus kann dann gefolgert werden, inwieweit die Bindung des Bt-Toxins von den chemischen Parametern der Bodenpartikel abhängt.

Ergebnisse

Eigenschaften der Böden

Die Böden der drei Standorte zeigen eine ähnliche mineralogische Zusammensetzung - sie haben hohe Gehalte an bestimmten Tonmineralen (Smectit, Illit, Kaolinit und Vermiculit).

Da es sich bei den Untersuchungsstandorten um Ackerböden handelt, auf denen Ernterückstände in die Böden eingearbeitet werden, zeigen die oberen Bodenschichten (Tonfraktionen der Oberböden, 0-30 Zentimeter) grundsätzlich höhere Gehalte an organischer Substanz als die Unterböden (40-60 Zentimeter)

Tonminerale sind aufgrund ihrer Kristallstruktur elektrisch geladen, so dass sie in der Lage sind, ihrerseits geladene Partikel zu binden. Die Partikel in der Tonfraktion haben eine Oberfläche von 80 bis nahezu 100 Quadratmeter pro Gramm Boden. An diesen Grenzflächen finden die meistem chemischen Reaktionen in den Böden statt – so auch die Bindung von Molekülen, also in diesem Fall des Bt-Toxins.

Grundsätzlich lassen sich im Hinblick auf die bodenchemischen Parameter folgende zusammenfassende Aussagen treffen:

  • Je höher der Gehalt an organischer Substanz ist, besonders in den Oberböden, desto geringer ist die Bindung des Bt-Toxins. Die organische Substanz verschließt kleine Poren zwischen den Bodenpartikeln, so dass das Bt-Toxin nicht in den Zwischenräumen gebunden werden kann.
Bindung von Bt-Toxin in Oberböden
  • Je geringer die negative Ladung der Bodenpartikel, desto mehr Bt-Toxin wird gebunden. Die Abstoßung zwischen den Bt-Toxin-Komplexen und den Bodenpartikeln nimmt mit abnehmender negativer Ladung der Bodenpartikel ab, so dass mehr Bt-Toxin an den Oberflächen der Partikel gebunden werden kann.
Abstoßung Bt-Toxin und Bodenpartikel
  • Je größer die Oberfläche der Bodenpartikel ist, desto mehr Bt-Toxin wird an den Bodenpartikeln gebunden. Weisen die Bodenpartikel eine größere Oberfläche auf, so steht mehr Platz für die Bindung der Polymere auf den Partikeloberflächen zur Verfügung.
Polymerbindung an Partikeloberflächen