Nanoindentation an Phytolithen ausgewählter Nahrungspflanzen herbivorer Säugetiere und der potentielle Einfluss der Härte auf die Usur der Dentition

Abstract

Phytolithe sind Biomineralisationen, die vorwiegend in Gräsern vorkommen. Die silikathaltigen Gräser sind wichtiger Bestandteil der Nahrung vieler pflanzenfressender Säugetiere und galten lange als wichtigste Hauptursache der Zahnabnutzung (Baker et al. 1959). Diese These wird in Studien von Sanson et al. (2007) und Lucas et al. (2013) widerlegt und die Ursache der Zahnabnutzung wird mit bodennah auftretenden Staub- und Bodenpartikeln erklärt. Biomechanische Materialeigenschaften von endogenen Phytolithen und exogenen Staub- und Bodenpartikeln können zur Klärung der tatsächlichen Ursache der Usur beitragen. Die Bestimmung der Materialeigenschaften an nativ extrahierten Phytolithen wird jedoch bisher nur unzureichend durchgeführt. In dieser Arbeit wird eine silikatkontrollierte Anzucht mit 12 ausgewählten Nahrungspflanzen durchgeführt und die Biomasseproduktion, die Wuchshöhe und der SiO2-Gehalt bestimmt. Es wird eine Extraktionsmethode zur Gewinnung von nativen Phytolithen entwickelt (Wasser-Siede-Aufschluss), an denen anschließend die Härte mittels Nanoindentation bestimmt wird. An Phytolithen von Themeda triandra der Anzucht mit 10 und 100 mg SiO2/L wird die potentielle Abhängigkeit der Phytolithhärte von der Silikatkonzentration im Substrat getestet. Durch Aufnahmen am Transmissionselektronenmikroskop wird der innere Aufbau von Phytolithen untersucht und ihre Entstehung nachvollzogen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Silikatverfügbarkeit des Substrates keinen Einfluss auf die Biomasseproduktion, Wuchshöhe und Phytolithhärte hat. Allerdings kann eine SiO2-Einlagerung nachgewiesen werden. Die ermittelten Phytolithhärten liegen im ähnlichen Bereich wie die von Sanson et al. (2007) und Lucas et al. (2013) bestimmten Phytolithhärten und bestätigen somit deren Ergebnisse. Es wird abgeleitet, dass die standortbedingenden Faktoren in der Charakterisierung der Materialeigenschaften von Phytolithen vernachlässigt werden können. Die untersuchten Phytolithe zeigen eine härtere Materialeigenschaft als das Säugetierzahngewebe Dentin und können dieses in Folge dessen abradieren. Sie sind jedoch weicher als Zahnschmelz. Die Zahnabnutzung durch Phytolithe ist somit auf Basis der Materialeigenschaften möglich und naheliegend.

Phytoliths are biomineralisations that occur predominantly in grasses. The siliceous grasses are an important part of the diet of many herbivorous mammals and have long been regarded as the most important cause of tooth wear (Baker et al. 1959). Sanson et al. (2007) and Lucas et al. (2013) refuted this hypothesis and explained the cause of tooth wear with dust and soil particles occurring at ground level. The determination of biomechanical material properties of endogenous phytoliths and exogenous dust and soil particles can help to clarify the cause of tooth wear. The material properties of natively extracted phytoliths have, however, been studied insufficiently. Biomass production, plant height and SiO2 content are determined in silica- controlled cultivations of selected forage plants. An extraction method for obtaining native phytoliths (water-boiling method) is developed, and native phytolith hardness is determined with nanoindentation. The potential dependence of the phytolith hardness with silicate concentration in the substrate is tested on phytoliths of 10 and 100 mg SiO2/L cultures of Themeda triandra. Transmission electron microscopy imaging is used to investigate internal structures and origin of phytoliths. The results indicate, that the silica concentration of the substrate has no influence on biomass production, plant height and phytolith hardness. However a SiO2 deposition is detected. The phytolith hardness lies within the phytolith hardness range determined by Sanson et al. (2007) and Lucas et al. (2013) and thus confirms their results. It is concluded that the habitat-specific conditions do not influence the material properties of phytoliths. The studied phytoliths are harder than mammalian tooth tissue dentin, but softer than enamel. Hence their material properties are suitable to wear dentin.