Überdauerung des insektiziden Proteins Cry1Ab in Böden auf Anbauflächen mit gentechnisch verändertem MON810-BT-Mais
In der vorliegenden Dissertationsarbeit wurde der Verbleib des Cry1Ab im Boden unter realen landwirtschaftlichen Bedingungen an 15 unterschiedlichen MON810-BT-Mais Feldern in Deutschland untersucht und verglichen. Die Ergebnisse der Analysen belegten, dass der Haupteintrag des Cry1Ab-Proteins in den Boden erst nach der Ernte durch auf dem Feld verbliebene Maispflanzenreste erfolgte. Ein Großteil des Cry1Ab zersetzte sich bereits direkt nach der Ernte noch im Pflanzenmaterial, bevor die Proteine an die Bodenmatrix gelangten. Die Cry1Ab-Werte von den verschiedenen Standorten zeigten eine deutliche Korrelation zu bestimmten Bodeneigenschaften, insbesondere dem Ton- und Sandgehalt, was den Einfluss von Adsorptionsprozessen vermuten ließ. Um die Bedeutung der Adsorption in Böden für die Überdauerung von Cry1Ab Proteinen besser zu verstehen, wurden im Rahmen dieser Arbeit deshalb zusätzlich Laboruntersuchungen mit (14)C-markiertem Cry1Ab Protein durchgeführt und der Abbau dieser Verbindung anhand von (14)C-Massenbilanzen verfolgt. Die Herstellung des (14)C-Cry1Ab erfolgte mit gentechnisch veränderten E.Coli-Zellen durch Zugabe von (14)C-Glycerin als Kohlenstoffquelle und (14)C-Leucin als essentieller Aminosäure zum Kulturmedium. Es gelang (14)C-Cry1Ab mit spezifischen Aktivitäten von 8.000 – 36.000 dpm pro mg herzustellen, dass sich für die geplante Untersuchung des Abbaus im Boden eignete. Der Abbau wurde in zwei unterschiedlichen Böden (Sand und toniger Lehm) verfolgt. Die Ergebnisse der aufgestellten (14)C-Massenbilanzen bewiesen, dass ein Teil des Cry1Ab nach der Zugabe sofort im Boden adsorbiert wurde, der Cry1Ab-Anteil in der flüssigen Phase des Bodens jedoch einem äußerst schnellen biologischen Abbau unterlag. Die kontinuierliche (14)CO(2)-Freisetzung über 100 Tage zeigte zudem, dass auch der adsorbierte Anteil des Cry1Ab nach und nach wieder freigesetzt und letztendlich ebenfalls mineralisiert wurde. Zusätzlich durchgeführte PCR-SSCP-Analysen belegten, dass bei den im Freiland maximal erreichbaren Cry1Ab-Konzentrationen keine Veränderungen in der Bodenmikroorganismengemeinschaft zu erwarten sind. Schlussfolgernd ließ sich ableiten, dass die Desoptionsrate des Bodens den limitierenden Faktor für die Mineralisation des Cry1Ab-Protein darstellte. Bisherige Untersuchungsergebnisse, die anhand extraktionsbasierter Nachweisverfahren gewonnen wurden, sollten in Abhängigkeit von den Bodeneigenschaften der untersuchten Standorte deshalb neu bewertet werden.
The aims of this thesis are to analyze the degradation of Cry1Ab in soil under real agricultural conditions and to place the findings in a broader perspective. Fifteen field sites in Germany, cultivated with MON810-BT-maize, were monitored during and after the cultivation period. The results prove that the main Cry1Ab-input into the soil occurs after the harvest by remaining maize plant residues. In this process the main part of the Cry1Ab dissipated already during the degradation of the plant before reaching the soil. Detected Cry1Ab-levels in soil ranged between 0.02 to 0.26 ng per g. The Cry1Ab-concentrations showed a clear correlation to soil properties, mainly clay and sand content, caused from adsorption processes. For a better understanding of the effect of adsorption on the degradation of Cry1Ab in soil laboratory tests with (14)C-labeled Cry1Ab were conducted and the degradation of (14)C-Cry1Ab was analyzed with (14)C-mass balances. Therefor the Cry1Ab had to be labeled with (14)C, because the composition isn’t commercial available. The (14)C-labeling was performed with the genetically engineered E. coli-strain HB101 pMP by the addition of (14)C-Glycerine and (14)C-Leucine to the nutrient solution. For an effective labeling the ratio between labeled and unlabeled C in the nutrient solution had to be adjusted. Finally (14)C-Cry1Ab batches with specific activities of 8,000 – 36,000 dpm per mg, which sufficed for the intended degradation study, were obtained. The degradation of (14)C-Cry1Ab was analyzed in two different soils (loam and sand). The results of the (14)C-mass balances prove that one fraction of the Cry1Ab was instantly biologically degraded in the liquid phase of the soil, while the rest was adsorbed. Furthermore the continuous (14)CO(2) production over 100 days showed that the adsorbed protein was gradually released and biologically degraded. In addition, the PCR-SSCP-analysis verified that the largest expectancy value of the Cry1Ab concentration in field soil has no effects on the bacterial communities. Finally the results show, that the desorption rate represents the limiting factor for the Cry1Ab degradation in soil. Thus, results of previous studies, derived from extraction-based tests, will have to be re-evaluated with regard to the site-specific soil properties.
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