ICP-OES Determination of Metal Bioaccumulation in Caulerpa racemosa ramuli from Guánica, Puerto Rico

Technische Zusammenfassung: ICP-OES-Bestimmung der Metallbioakkumulation in Caulerpa racemosa Ramuli aus Guánica, Puerto Rico

Problemstellung
Obwohl marine Makroalgen, insbesondere Caulperpa-Arten (Meeresweintrauben), aufgrund ihrer ernährungsphysiologischen und biochemischen Eigenschaften zunehmend als wertvolle Ressourcen für den neuartigen Lebensmittelmarkt anerkannt werden, besteht eine erhebliche Wissenslücke hinsichtlich der elementaren Zusammensetzung karibischer Populationen. Die bestehende Literatur konzentriert sich schwerpunktmäßig auf kultivierte Populationen in Südostasien und dem tropischen Australien. Darüber hinaus ist das elementare Profil mariner Algen dynamisch und wird durch lokale physikochemische Variablen gesteuert; daher können Daten aus dem Indo-Pazifik nicht auf karibische Ökosysteme extrapoliert werden. Es besteht ein dringender Bedarf an der Erstellung von Basisdaten zu den elementaren Bioakkumulationsprofilen der einheimischen Caulerpa racemosa in Puerto Rico, um deren Sicherheit als Nahrungsquelle zu bewerten, die lokale Umweltqualität zu beurteilen und ihr Potenzial in der Meeresbiotechnologie zu untersuchen.

Methodik
Die Studie verwendete die optische Emissionsspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-OES), um die elementare Zusammensetzung von Caulerpa racemosa var. ramuli zu charakterisieren, die im März 2025 in der subtidalen Zone von Tamarindo Beach in Guánica, Puerto Rico, gesammelt wurden.

• Probenahme: Frisches Algenbiomasse (~1 kg) und angrenzende Meerwasserproben (in Triplikaten gesammelt) wurden gewonnen.
• Aufbereitung: Die Algenproben wurden mit destilliertem Wasser gewaschen, um Epiphyten und Salze zu entfernen, an der Luft getrocknet und seziert, um die aufrechten Ramuli von Stolon und Rhizoiden zu isolieren.
• Aufschluss: 1,0 g frische Ramuli wurden einem mikrowellenunterstützten Aufschluss mit 2 % Salpetersäure (HNO₃) bei 200 °C unterzogen.
• Analyse: Sowohl die aufgeschlossenen Algenproben als auch das gefilterte Meerwasser wurden auf 61 chemische Elemente (Haupt-, Spuren-, Schwermetalle und Seltenerdelemente) untersucht.
• Berechnung: Der Biokonzentrationsfaktor (BCF) wurde bereft, um die Akkumulationseffizienz zu bestimmen, definiert als das Verhältnis der Analytkonzentration im Algengewebe zur Konzentration im Meerwasser. Die Akkumulation wurde als niedrig (BCF < 100), moderat (100–1000) oder hoch (> 1000) kategorisiert.

Kernergebnisse

• Elementares Profil: Während im umgebenden Meerwasser 61 Elemente nachgewiesen wurden, wurden in der C. racemosa Ramuli-Biomasse nur 11 Elemente nachgewiesen, was auf einen distinkten selektiven Aufnahmemechanismus statt einer passiven Reflexion der Umgebung hindeutet.
• Selektive Akkumulation: Das Algengewebe zeigte vergleichsweise höhere Konzentrationen von Bor (B), Tantal (Ta), Zirkonium (Zr) und Chrom (Cr). Ytterbium (Yb) und Mangan (Mn) wurden in den niedrigsten Konzentrationen nachgewiesen.
• Biokonzentrationsfaktoren (BCF):
  • Hohe Akkumulation (BCF > 1000): Rhenium (Re), Zirkonium (Zr) und Gadolinium (Gd) zeigten eine hohe Akkumulation. Re wies den höchsten BCF auf und überstieg 10.000.
  • Moderate Akkumulation (BCF 100–1000): Ytterbium (Yb) und Tantal (Ta).
  • Niedrige Akkumulation (BCF < 100): Mangan (Mn), Wismut (Bi), Lithium (Li) und Chrom (Cr).
• Vorhandensein von Schwermetallen: Das Meerwasser enthielt ein diverses Schwermetallprofil, wobei Aluminium (Al), Arsen (As) und Blei (Pb) am häufigsten vorkamen. Nickel (Ni), Cadmium (Cd) und Quecksilber (Hg) waren im Meerwasser vorhanden, wurden jedoch im Algentext nicht nachgewiesen. Im Gegensatz dazu war Chrom (Cr) das einzige Schwermetall, das in beträchtlichen Mengen im Algentext (ca. 95 µg/kg) nachgewiesen wurde und eine Anreicherung gegenüber dem Meerwasser zeigte.
• Einzigartige Elemente: Bor (B) und Beryllium (Be) wurden ausschließlich im Algentext nachgewiesen und nicht im angrenzenden Meerwasser. Bor war das vorherrschende einzigartige Element (~5.000 µg/kg), während Beryllium mit ~450 µg/kg vorhanden war.

Bedeutung und Behauptungen
Die Arbeit behauptet, dass diese Ergebnisse neue Basisinformationen über das elementare Profil von C. racemosa im Karibischen Raum liefern und dessen Potenzial zur marinen Biomonitoring unterstützen.

• Bioindikator-Potenzial: Die selektive Akkumulation von Chrom (Cr) deutet darauf hin, dass C. racemosa als Bioindikator für die lokale Metallbelastung dienen könnte. Das Vorhandensein von B und Be in den Geweben, insbesondere von Be, das keine bekannte physiologische Rolle in Algen hat, unterstützt ferner die Fähigkeit der Spezies zur Akkumulation nicht-essenzieller Spurenelemente, was eine Untersuchung als Biomonitoring-Agent rechtfertigt.
• Anthropogene Indikatoren: Die hohe Anreicherung von Rhenium (Re), Tantal (Ta) und Zirkonium (Zr) – Elemente, die typischerweise in sehr niedrigen Konzentrationen in natürlichem Meerwasser vorkommen – deutet auf potenzielle anthropogene Verschmutzungsquellen im Untersuchungsgebiet hin.
• Vorsichtige Interpretation: Die Autoren weisen ausdrücklich darauf hin, dass die ungewöhnlich hohe Konzentration von Rhenium (Re) nicht üblich ist und vorsichtig interpretiert werden sollte. Sie empfehlen eine Bestätigungsanalyse mittels unabhängiger ICP-MS-Methoden, um diesen spezifischen Befund zu validieren.
• Einschränkungen: Die Studie räumt Einschränkungen ein, einschließlich der Analyse nur von Ramuli (unter Ausschluss von Stolen und Rhizoiden), eines einzelnen Probenahmeortes und -zeitpunkts sowie des Fehlens von Metallspeziations- oder physiologischen Aufnahmemechanismus-Analysen. Folglich beansprucht die Arbeit keine definitiven Anwendungen in der Metallremediation oder Ressourcenrückgewinnung, sondern hebt die Notwendigkeit weiterer Studien hervor, um diese beobachteten Muster zu validieren und entsprechende Anwendungen zu untersuchen.