Bayreuth, Germany
June 26, 2017
Doctoral researchers in Bayreuth Carolin Kerl M.Sc. (left) and Colleen Rafferty M.Sc. (right) are investigating the absorption of thioarsenates in the thale cress (Arabidopsis thaliana).
Rice is a staple food in many regions of the world, however it sometimes contains levels of arsenic that are hazardous to our health. An interdisciplinary team of researchers at the University of Bayreuth has now discovered that there are arsenic compounds which have a toxic effect on plants and yet had not previously been considered in connection with chemical analyses of rice and the estimated health risks for humans. The research concerns thioarsenates, compounds made up of arsenic and sulphur, which may be present in rice fields more often than previously assumed. The scientists have published their findings in the journal Environmental Science and Technology.
Increased concentrations in rice fields?
Thioarsenates can be found in surface water, groundwater, and bottom water with high levels of sulphide. Sulphide is the reduced form of sulphate; it reacts spontaneously with arsenic and can form thioarsenates. Rice fields provide favourable conditions for these processes. “Rice is usually grown on flooded fields. The resulting lack of oxygen in the ground can reduce sulphate to sulphide. We were able to demonstrate for the first time that a considerable amount of the arsenic in rice fields – namely 20 – 30% - is bound up in the form of thioarsenates,” explained Prof. Dr. Britta Planer-Friedrich, Professor of Environmental Geochemistry at the University of Bayreuth. “Further research to shed more light on the spread of thioarsenates is now even more urgent since we were able to show for the first time that thioarsenates can be absorbed by plants and are harmful to them.”
Harmfulness for biological model organisms
The experiments in Bayreuth, which also included several doctoral researchers – concentrated on the thale cress (Arabidopsis thaliana), a common plant in the fields of Europe and Asia that has proven to be a useful model organism in biological research. Together with plant physiologist Prof. Dr. Stephan Clemens, various mutants of the thale cress were tested in the laboratory to see how they reacted to thioarsenates added to their nutrient solution. The results were clear: the plants absorb the arsenic-sulphur compounds and their growth is visibly limited. The more arsenic reaches the plant in this way, the more its roots shrivel up.
Toxic for humans too?
“In the wake of these unsettling findings, we plan to investigate the effects of thioarsenates on different types of rice over the next several months. At present, we do not yet sufficiently understand whether or not and to what extent rice plants absorb the arsenic that bonded with sulphur and to what extent this adversely affects their metabolic processes. Above all, it is unclear whether thioarsenates also make their way to the rice grains,” explained Prof. Clemens. He added, “At the University of Bayreuth, we have all the research technology necessary to see these experiments through. If it turns out that thioarsenates are absorbed by the roots of the rice plants and make their way to the rice grains unaltered, then further research will be needed. In particular, we would need to clarify whether thioarsenates are toxic for humans who consume food containing rice over an extended period. What’s more: in addition to the previously known forms of arsenic, thioarsenates must be considered in the future when developing rice plants that accumulate less arsenic in their grains. This is an objective currently being pursued by numerous research groups around the world.”
“Not only the EU, which has had a limit for arsenic in rice since 2016, but above all countries in Asia and Africa – where yearly rice consumption can be well above 100 kilograms per person – should be following rice research closely with an eye to amending their food safety regulations. Traces of arsenic are also found in drinking water and other types of food. These trace amounts can add up to a daily dose representing a health risk that is not to be underestimated,” Prof. Planer-Friedrich said.
A few years ago, Planer-Friedrich discovered that thioarsenates could play a more significant role in the earth’s arsenic balance than previously thought. The starting point was a study at the hot springs in Yellowstone National Park. Here it was discovered that more than 80% of the arsenic from the hot springs is bound up in thioarsenates. In the following years, it was shown that thioarsenates can occur in soil and groundwater under less extreme conditions. Depending on the sulphide content, they may even account for more than a quarter of total arsenic. These findings have provided impetus for further experiments on the spread of such arsenic compounds – at the University of Bayreuth, such research will focus on the staple food rice.
Publication:
Britta Planer-Friedrich, Tanja Kühnlenz, Dipti Halder, Regina Lohmayer, Nathaniel Wilson, Colleen Rafferty, and Stephan Clemens, Thioarsenate Toxicity and Tolerance in the Model System Arabidopsis thaliana, Environmental Science & Technology (2017),
DOI: 10.1021/acs.est.6b06028
Erhöhtes Risiko im Reis? Bayreuther Forscher entdecken Giftigkeit von Thioarsenaten für Pflanzen
Reis ist in vielen Regionen der Erde ein Grundnahrungsmittel, enthält aber nicht selten gesundheitsgefährdende Mengen von Arsen. Wie eine interdisziplinäre Forschergruppe der Universität Bayreuth jetzt festgestellt hat, gibt es Arsenverbindungen, die eine giftige Wirkung auf Pflanzen haben, aber bei chemischen Analysen von Reis und bei der Abschätzung des Gesundheitsrisikos für den Menschen bisher nicht berücksichtigt wurden. Es handelt sich um Thioarsenate, Verbindungen von Arsen mit Schwefel, die auf Reisfeldern möglicherweise häufiger vorkommen, als bisher angenommen wurde. Über ihre Erkenntnisse berichten die Wissenschaftler in der Zeitschrift 'Environmental Science and Technology'.
Erhöhte Konzentrationen auf Reisfeldern?
Thioarsenate entstehen im Oberflächen-, Boden- und Grundwasser, falls das Wasser einen hohen Sulfid-Anteil aufweist. Sulfid ist die reduzierte Form von Sulfat, es reagiert spontan mit Arsen und kann Thioarsenate bilden. Reisfelder bieten für diese Prozesse günstige Voraussetzungen. „Reis wird meist auf gefluteten Feldern angebaut. Wegen des daraus resultierenden Sauerstoffmangels im Boden kann Sulfat zu Sulfid reduziert werden. Wir konnten erstmals nachweisen, dass ein nicht unerheblicher Teil des Arsens in Reisfeldern – nämlich 20 bis 30 Prozent – in Form von Thioarsenaten gebunden ist“, erklärt Prof. Dr. Britta Planer-Friedrich, Professorin für Umweltgeochemie an der Universität Bayreuth. „Weitere Forschungsarbeiten, die über die Ausbreitung von Thioarsenaten genauere Erkenntnisse liefern, sind umso dringlicher, als wir jetzt erstmals zeigen konnten, dass Thioarsenate von Pflanzen aufgenommen werden können und schädlich für sie sind.“
Schädlichkeit für biologischen Modellorganismus
Die Bayreuther Untersuchungen, an denen auch einige Doktoranden mitarbeiteten, konzentrierten sich auf die Acker-Schmalwand (Arabidopsis thaliana), eine auf Wiesen in Europa und Asien weitverbreitete Pflanze, die sich in der biologischen Forschung als Modellorganismus bewährt hat. In Zusammenarbeit mit dem Pflanzenphysiologen Prof. Dr. Stephan Clemens wurden unterschiedliche Mutanten der Acker-Schmalwand im Labor daraufhin getestet, wie sie auf Thioarsenate reagieren, sobald diese ihrer Nährflüssigkeit beigegeben werden. Die Ergebnisse sind eindeutig: Die Pflanzen nehmen die Arsen-Schwefel-Verbindungen auf und werden in ihrem Wachstum sichtbar beeinträchtigt. Je mehr Arsen auf diesem Weg in ihren Organismus gelangt, desto mehr verkümmern ihre Wurzeln.
Toxisch auch für den Menschen?
„Aufgrund dieser beunruhigenden Erkenntnisse wollen wir in den nächsten Monaten gezielt die Wirkungen von Thioarsenaten auf verschiedene Reissorten untersuchen. Bisher wissen wir noch zu wenig darüber, ob und in welchem Umfang Reispflanzen das schwefelgebundene Arsen aufnehmen und wie gravierend ihr Stoffwechsel dadurch gestört wird. Vor allem ist unklar, ob Thioarsenate auch bis in die Reiskörner gelangen“, erläutert Prof. Clemens, Sprecher des Profilfelds ‚Lebensmittel- und Gesundheitswissenschaften‘ an der Universität Bayreuth, und ergänzt: „In Bayreuth verfügen wir über alle nötigen Forschungstechnologien, um diese Untersuchungen vorantreiben zu können. Sollte sich herausstellen, dass Thioarsenate von den Wurzeln der Reispflanzen aufgenommen werden und unverändert in die Reiskörner vordringen können, besteht weiterer Forschungsbedarf. So muss dann insbesondere geklärt werden, ob Thioarsenate für den Menschen toxisch sind, falls sie über lange Zeiträume mit reishaltiger Nahrung aufgenommen werden. Darüber hinaus sind – neben den bislang bekannten Arsenformen – künftig auch Thioarsenate zu berücksichtigen, wenn es darum geht, Reispflanzen zu entwickeln, die weniger Arsen in den Körnern akkumulieren. Dies ist ein Ziel, auf das heute weltweit zahlreiche Forschergruppen hinarbeiten.“
„Nicht allein die EU, in der seit 2016 erstmals ein Grenzwert für Arsen in Reis gilt, sondern vor allem auch Länder in Asien und Afrika, die oft einen jährlichen Reiskonsum von weit über 100 Kilogramm pro Kopf haben, sollten die weitere Reisforschung aufmerksam verfolgen und ihren Verbraucherschutz entsprechend weiterentwickeln. Spuren von Arsen sind auch im Trinkwasser und in weiteren Lebensmitteln enthalten. Sie können sich schnell zu einer täglichen Dosis summieren, die ein nicht zu unterschätzendes Gesundheitsrisiko darstellt“, meint Prof. Planer-Friedrich.
Die Bayreuther Umweltgeochemikerin hat erst vor wenigen Jahren entdeckt, dass Thioarsenate für den Arsenhaushalt der Erde eine größere Bedeutung haben könnten als bis dahin angenommen. Ausgangspunkt waren Untersuchungen an Thermalquellen im Yellowstone-Nationalpark in den USA. Hier stellte sich heraus, dass mehr als 80 Prozent des Arsens, das in diesen heißen Quellen vorkommt, in Thioarsenaten gebunden sind. In den Folgejahren zeigte sich, dass Thioarsenate auch unter weniger extremen Bedingungen in Böden und im Grundwasser auftreten können. Hier können sie, je nach Sulfidgehalt, gut ein Viertel des Gesamtarsens ausmachen. Diese Erkenntnisse gaben den Anstoß für weitere Untersuchungen zur Verbreitung dieser Arsenverbindungen, die sich an der Universität Bayreuth nun auf das Grundnahrungsmittel Reis konzentrieren werden.
Veröffentlichung:
Britta Planer-Friedrich, Tanja Kühnlenz, Dipti Halder, Regina Lohmayer, Nathaniel Wilson, Colleen Rafferty, and Stephan Clemens, Thioarsenate Toxicity and Tolerance in the Model System Arabidopsis thaliana, Environmental Science & Technology (2017),
DOI: 10.1021/acs.est.6b06028
Topics
Species
