Summary
The element concentration of moult feathers of White-tailed Eagles was investigated. Using the 2- MeV Hamburg proton microprobe we tried to differentiate between elements incorporated into the feather via the food chain and those which are deposited externally onto the feather vane. Regarding incorporated elements, special attention has been given to a possible correlation between element concentration and feather pigmentation. Concerning the elements detected in this work (S, K, Ca, Ti, Mn, Fe, Cu, Zn, Hg, Pb), calcium, manganese and zinc show a considerable enhancement within the pigmented feather as compared with pigment-free feather sections. On the other hand, no differences were found in concentrations for sulfur, titanium, iron, copper, mercury and lead. Our findings therefore imply a special enrichment of Ca, Mn and Zn within melanin, the source of the feather's pigmentation. The possible role of these elements with regard to melanin formation is discussed.
Zusammenfassung
Es wurden die Elementkonzentrationen in Mauserfedern von Seeadlern untersucht. Mit Hilfe der Hamburger 2-MeV-Protonenmikrosonde, die die Analyse von Probendetails im Mikrometerbereich ermöglicht, versuchen wir zwischen Elementen zu unterscheiden, die vom Adler mit der Nahrung inkorporiert, verstoffwechselt und während der Mauser in die Feder eingelagert wurden und solchen, die während der etwa einjährigen Verweilzeit der Feder im Gefieder extern aus der Atmosphäre aufgelagert wurden.
Im Hinblick auf die eingelagerten Elemente untersuchen wir mögliche Zusammenhänge zwischen der Elementkonzentration und der Federpigmentierung. Von den nachgewiesenen Elementen (Schwefel, Kalium, Calcium, Titan, Mangan, Eisen, Kupfer, Zink, Quecksilber und Blei) zeigen Calcium, Mangan und Zink eine erhebliche Anreicherung in der pigmentierten Feder im Vergleich zu pigmentfreien Federausschnitten. Dagegen wurden keine signifikanten Unterschiede der Elementkonzentrationen von Schwefel, Titan, Eisen, Kupfer, Quecksilber und Blei festgestellt. Die gefundenen Ergebnisse bedeuten eine erhebliche Anreicherung von Calcium, Mangan und Zink im Melanin, das für die Federpigmentierung verantwortlich ist. Die mögliche Funktion dieser Elemente im Hinblick auf die Melaninbildung wird diskutiert.
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Bogacz A., Buszman, E. & Wilczok, T. (1989): Competition between metal ions for dopa-melanin Stud. Biophys. 132: 189–195.
Bonser, R.H.C. (1997): Melanin and the abrasion resistance of feathers. Condor 590–591.
Borovansky, J., Horcicko, J. & Ducho, J. (1976): The hair melanosome: another tissue reservoir of zinc Physiol. bohemoslov. 25: 87–91.
Bowness, J.M., Morton, R.A., Shakir, M.H. & Stubbs, A.L. (1952): Distribution of copper and zinc in mammalian eyes. Occurence of metals in melanin fractions from eye tissues. Biochem. J. 51: 521–530.
Burger, J. (1994): Metals in avian feathers: Bioindicators of environmental pollution. Rev. Environ. Toxicol. 5: 197–306.
Burger, J., Nisbet, I.C.T. & Gochfeld, M. (1994): Heavy metal and selenium levels in feathers of known-aged Common Terns (Sterna hirundo) Arch. Environ. Toxicol. 26: 351–355.
Burger, J. & Gochfeld, M. (1995): Biomonitoring of heavy metals in the pacific basin using avian feathers. Environ. Toxicol. Chem. 14: 1233–1239.
Dorea, J.G. & Pereira, S.E. (1983) The influence of hair color on the concentration of zinc and copper in boys' hair J. Nutrition 113: 2375–2381.
Ellenberg, H., Dietrich, J., Gast, F., Hahn, E. & May, R. (1986): Vögel als Biomonitoren für die Schadstoffbelastung von Landschaftsausschnitten — Ein Überblick. Verh. Ges. Ökol. 14: 403–412.
Fitzpatrick, T.B. & Breathnach, A.S. (1963): Das epidermale Melanin-Einheit System. Derm. Wschr. 147: 481–489.
Flesch, P. (1968): Epidermal iron pigments in red species. Nature 217: 1056–1057.
Giesen, M. (1981): Beiträge zur Kenntnis des Melanins in Keratinfasern. Dissertation, RWTH Aachen.
Goede, A.A. (1985): Mercury, selenium, arsenic and zinc in waders from the Dutch Wadden Sea. Environmental Pollution (Series A) 37: 287–309.
Greenstein, G.P. (1948): Chemistry of melanomas Spec. Pubs. N. Y. Acad. Sci. 4: 433–436.
Großmann, D., Niecke, M., Koopmann, J.P. & Schöttler, J. (1990): The Hamburg Proton Microprobe: Application in environmental analysis. Nucl. Instr. & Meth. B49: 495–500.
Hahn, E., Hahn, K. & Ellenberg, H. (1989): Schwermetallgehalte in Federn von Elstern (Pica pica) — Folge exogener Auflagerung aus der Atmosphäre. Verh. Ges. Ökol. 18: 317.
Hahn, E. (1991): Schwermetallgehalte in Vogelfedern — ihre Ursache und der Einsatz von Federn standorttreuer Vogelarten im Rahmen von Bioindikationsverfahren. Berichte des Forschungszentrums Jülich 1991: 1.
Hahn, E., Hahn, K. & Stoeppler, M. (1993): Bird feathers as bioindicators in areas of the German Environmental Specimen bank — bioaccumulation of mercury in food chains and exogenous deposition of atmospheric pollution with lead and cadmium. Sci. Tot. Environ. 139/140: 259–170.
Hanson, H.C. & Jones, R.L. (1968): Use of feather minerals as biological tracers to determine the breeding and molting grounds of wild gees. Illinois Nat. Hist. Surv. Biol. Notes 60: 1–8.
Horcicko, J., Borovansky, J., Duchon, J. & Prochazkova, B. (1973): Distribution of zinc and copper in pigmented tissues. Hoppe-Seyler's Z. Physiol. Chem. 354: 203–204.
Hartner, L., Hueber, N. & Schreiber, N. (1992): Über die Eignung der Vogelfeder als Bioindikator. Hohenheimer Umwelttagung 24: 75–91.
Jimbow, M., Kanoh, H. & Jimbow, K. (1982): Characterization of biochemical properties of melanosomes for structural and functional differentiation: Analysis of the compositions of lipids and proteins in melanosomes and their subfractions. J. Invest. Dermatol. 79: 97–102.
Lindquist, N.G., Larsson, B.S. & Lyden-Sokolowski, A. (1987): Neuromelanin and its possible protective and destructive properties. Pigment Cell Research 1: 133–136.
Lucas, A.M. & Stettenheim, P.R. (1971): Avian Anatomy: Integument, Vol Chap. 7. Washington D.C.
Lyden, A., Larsson, B.S. & Lindquist, N.G. (1984): Melanin affinity of manganese. Acta Pharmacol. Toxicol. 55: 133–138.
Lyttkens, L., Larsson, B., Stahale, J. & Englesson, S. (1979): Accumulation of substances with melanin affinity to the internal ear. Adv. Otorhinolaryngol. 25: 17–25.
Niecke, M., Ambor, S., Kühnast, O. & Ellenberg, H. (1990): Vogelfedern als Biomonitoren für die atmosphärische Schwermetallbelastung — Untersuchungen mit der Protonenmikrosonde — Teil I: Externe Deposition von Schwermetallen auf Elsternfedern. Umweltwissenschaften und Schadstoff-Forschung, Heft 2: 71–75.
Niecke, M. & Krüger, A. (1997): Schwermetalle in Vogelfedern — Systematische Untersuchung von externer Deposition und Einlagerung in die Feder. Beiträge zur Gefiederkunde und Morphologie der Vögel, Naumann Museum Köthen Heft 4: 1–20.
Niecke, M., Krüger, A., Hauff, P., Ellenberg, H., Labes, R. & Niecke, S. (1998): Analyse der Quecksilberbelastung in Seeadlerfedern aus Mecklenburg-Vorpommern. UWSF — Z. Umweltchem. Ökotox. 10: 3–14.
Okazaki, K., Kuwata, K., Miki, Y., Shiga, S. & Shiga, T. (1985): Electron spin relaxation of synthetic melanin and melanin-containing human tissues as studied by electron spin echo and electron spin resonance. Arch. Biochem. Biophys. 242: 197–205.
Palumbo, A., d'Ischia, M., Misuraca, G. & Prota, G. (1987): Effect of metal ions on the rearrangement of dopachrome. Biochim. Biophys. Acta 925: 203–209.
Palumbo, A., d'Ischia, M., Misuraca, G., Prota, G. & Schultz, T. M. (1988): Structural modifications in biosynthetic melanins induced by metal ions. Biochem. Biophys. Acta 964: 193–199.
Panessa, B.J. & Zadunaisky, J.A. (1981): A calcium reservoir in the vertebrate eye. Exp. Eye Res. 32: 593–604.
Pfeiffer, C. C. & Mailloux, R. J. (1988): Heavy metals, useful cations and melanin as a possible repository. Med. Hypotheses 26: 125–130.
Potts, A. M. & Au, P. C. (1976): The affinity of melanin for inorganic ions. Exp. Eye Res. 22: 487–491.
Prasad, S. P. (1993): Biochemistry of Zinc. New York.
Prota, G. (1988): Some new aspects of eumelanin chemistry. In: Bagnara, J. T. (ed.): Advances in Pigment Cell Research: 101–124. New York.
Rorsman, H. (1972): Binding of simple chemicals in melanin producing cells. Progress in Org. Biol. & Med. Chem. 3: 655–670.
Samuelson, D.A., Smith, P., Ulfshafer, R.J., Hendricks, D.G., Whitley, R.D., Hendricks, H. & Leone, N.C. (1993) X-ray Microanalysis of ocular melanin in pigs maintained on normal and low zinc diets. Eye Res. 56: 63–70.
Sarna, T., Korytowski W., M. Pasenkiewicz-Gierula & E. Gudowska (1981): Ion-exchange studies in melanins. In: Seiji, M. (Ed.): Pigment Cell 1981: Phenotypic Expression in Pigment Cells: 23–29. Tokyo.
Scanlon, P.F., O'Brien, T.G., Schauer, N.L., Coggin, J.L. & Steffen, D.E. (1979): Heavy metal levels in feathers of wild turkeys from Virginia. Bull. Environ. Contam. Toxicol. 21: 591.
Scanlon, P.F., Oderwald, R.G., Dietrick, T.J. & Coggin, J.L. (1980): Heavy metal concentrations in feathers of Ruffed Grouse shot by Virginian hunters. Bull. Environ. Contam. Toxicol. 25: 947–949.
Shibata, T., Prota, G. & Mishima, Y. (1990): Regulatory factors of melanin monomer and polymer formation in melanogenic subcompartment of pigment chells. XIV Int. Pigment Cell Conference, Kobe, Japan, p.91.
Stein, W.D. (1955): Chemical Composition of the melanin granule and its relation to the mitochondrion. Nature 175: 256–257.
Ulfshafer, R.J., Allen, C.B. & Rubin, M.L. (1990): Distributions of elements in the human retinal pigment epithelium. Arch. Ophthalmol. 108: 113–117.
Weyers, B., Glück, E. & Stoeppler, M. (1988): Investigation of the significance of heavy metal contents of Blackbird feathers. The Science of the Total Environment 77: 61–67.
Zecca, L., Mecacci, C., Seraglia, R. & Parati, E. (1992): The chemical characterization of melanin contained in substantia nigra of human brain. Biochim Biophys Acta, 1138: 6–10.
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Niecke, M., Heid, M. & Krüger, A. Correlations between melanin pigmentation and element concentration in feathers of White-tailed Eagles (Haliaeetus albicilla). J Ornithol 140, 355–362 (1999). https://doi.org/10.1007/BF01651032
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