Untersuchungen zur biotischen Bildung von Methylquecksilber aus anorganischem Quecksilber durch intestinale Sulfat-reduzierende Bakterien und die Bestimmung alkylierter Quecksilberverbindungen mittels GC-ICP-MS und Isotopenverdünnungsanalyse

Alkylierte Quecksilberspezies sind hundertfach toxischer als anorganisches Quecksilber (Hg) und werden in der Nahrungskette mit zunehmender Trophieebene im Gewebe von Tieren und dem Menschen akkumuliert. Aufgrund der Relevanz für die Umwelt und den Effekt auf die menschliche Gesundheit kommt der biotischen Transformation von anorganischem Hg zu Monomethylquecksilber (MeHg) eine große Bedeutung zu. Es ist bekannt, dass Sulfat-reduzierende Bakterien zu den Hauptproduzenten von MeHg gehören. Darüber hinaus gibt es jedoch nur wenige Untersuchungen über die biologischen Mechanismen und die Zusammenhänge in terrestrischen und insbesondere in intestinalen Systemen. Die vorliegende Arbeit leistet daher einen wichtigen Beitrag zur Abschätzung des Potentials zur Hg-Methylierung durch intestinale Bakterien und vertieft die Kenntnisse zu der damit verbundenen Akkumulation der organischen Schwermetallverbindung im Gewebe des Kompostwurms Eisenia foetida (E. foetida). rnIm Rahmen dieser Arbeit wurde erstmals unter Anwendung der Gas Chromatographie mit induktiv gekoppelter Massenspektrometrie (GC-ICP-MS) und Isotopenverdünnungsanalyse verschiedene Kulturen intestinaler Sulfat-reduzierender Bakterien auf die Bildung von organischem Monomethylquecksilber aus Hg(II) untersucht. Da in komplexen bakteriellen Nährlösungen mit hohem Sulfidgehalt Matrixeffekte auftreten und die Analyse von MeHg im Ultraspurenbereich erschweren können, erfolgte die Probenvorbereitung mittels der Methanol-Kaliumhydroxid-Extraktion unter Verwendung eines Maskierungsreagenzes und der Derivatisierung mit Natriumtetrapropylborat. Das Detektionslimit für MeHg in bakteriellen Nährlösungen betrug 0,03 ng/mL. Die Wiederfindung von zertifiziertem Referenzmaterial ERM® CE-464 Tuna Fish war sehr gut und lag in einem Bereich zwischen 98 – 105%. rnDie Resultate der Untersuchung von 14 verschiedenen Rein- und Anreicherungskulturen Sulfat-reduzierender Bakterien zeigten, dass neun Kulturen innerhalb von 12 h nach einer Inkubation mit 0,1 mg/L Hg2+ im Durchschnitt 100 bis 1200 pg/mL MeHg produzierten. Darunter waren zwei Desulfovibrio sp. Stämme, die Spezies Desulfovibrio piger, Desulfovibrio giganteus, Desulfovibrio termitidis, Desulfotomaculum ruminis, Desulfobulbus propionicus sowie Anreicherungskulturen aus dem Intestinaltrakt einer Zygoptera-Larve Zy1 und E. foetida EF4. Die Fähigkeit zur Hg-Methylierung durch eine Spezies der Ordnung Desulfotomaculum aus der Gruppe der Gram-positiven Firmicutes wurde hiermit erstmals beobachtet.rnWeiterhin wurde gezeigt, dass im Intestinaltrakt von E. foetida im Gegensatz zu mikrobiellen Bodenproben eine signifikante biotische Methylierung von Hg(II) durchgeführt wird. Dass diese Transformationen in hohem Maße von der intestinalen Region ausgeht und somit zur Akkumulation von MeHg im Gewebe beiträgt, konnte durch weiterführende Experimente mittels Laserablations-ICP-MS an histologischen Gefrierschnitten des Invertebraten darge-stellt werden. rn

One of the most toxic mercury species is monomethylmercury as it tends to accumulate in the tissues of animals and humans. The formation of methylmercury from mercury occurs in the biogeochemical cycle and mainly by biological processes. In this study, the biotic methylation of mercury in terrestrial systems was investigated, especially concerning sulfate-reducing bacteria as this group is known to be one of the main mercury methylating microbial groups and have been found in the intestines of animals. rnThe determination of methylmercury was carried out using species-specific isotope dilution and gas chromatography with inductively coupled plasma mass spectrometry after alkaline extraction and derivatization with sodium-tetrapropylborate. The detection limit for methylmercury was found to be 0.03 ng mL1 in bacterial culture solution and the recovery of ERM® CE-464 tuna fish reference material was in the range of 98 - 105%. Inductively coupled plasma mass spectrometry in combination with laser ablation for direct solid sample, was used to study the distribution of total accumulated mercury in thin sections of tissue from Eisenia foetida, which were exposed to soil containing HgCl2.rnThe experiments of this study indicated that the biotic production of methylmercury in the gut of the soil-living earthworm, Eisenia foetida, is mainly due to intestinal and, to a much lesser extent, the soil microbiota. Furthermore, the measurement of mercury methylation by fourteen intestinal sulfate-reducing bacteria revealed that the most of these cultures were able to produce methylmercury. The addition of 0.1 mg L-1 inorganic HgCl2 solution into the bacterial cultures led to a production of 100-1200 pg MeHg mL-1 in 12 h. The mercury methylating species were Desulfovibrio spp., Desulfovibrio piger, Desulfovibrio giganteus, Desulfovibrio termitidis, Desulfotomaculum ruminis and Desulfobulbus propionicus, and two enrichment cultures, Zy1 and EF4, which were enriched from the gut of a damselfly and Eisenia foetida, respectively. This is the first study concerning biotic methylation including a diverse spectrum of intestinal microorganisms and it is a new insight that mercury methylating capability was found within the genus Desulfotomaculum. rn