Burhenne, Matthias: Biotestsystem mit Bodenalgen zur ökotoxikologischen Bewertung von Schwermetallen und Pflanzenschutzmitteln am Beispiel von Cadmium und Isoproturon
Biotestsystem mit Bodenalgen zur ökotoxikologischen Bewertung von Schwermetallen und Pflanzenschutzmitteln am Beispiel von Cadmium und Isoproturon
D i s s e r t a t i o n

zur Erlangung des akademischen Grades
doctor rerum naturalium
(Dr. rer. nat.)
im Fach Biologie

eingereicht an der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I
der Humboldt-Universität zu Berlin

von
Diplom-Biologe Matthias Burhenne ,
geboren am 28.07.68 in Berlin

Präsident der Humboldt-Universität zu Berlin
Prof. Dr. Dr. h. c. H. Meyer
Dekan der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I
Prof. Dr. J. P. Rabe

Gutachter:
1. Prof. Dr. C. Steinberg
2. Prof. Dr. G. Deml
3. Prof. Dr. W. Pestemer

Tag der mündlichen Prüfung: 09.05.2000


Seiten: [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] [95] [96] [97] [98] [99] [3] [100] [143] [144] [145] [113] [114] [115] [116] [117] [118] [119] [120] [121] [122] [123] [124] [125] [126] [127] [128] [129] [131] [133] [134] [136] [137] [138] [139] [140] [141] [142]

Inhaltsverzeichnis

Titelseite Biotestsystem mit Bodenalgen zur ökotoxikologischen Bewertung von Schwermetallen und Pflanzenschutzmitteln am Beispiel von Cadmium und Isoproturon
Selbständigkeitserklärung
1 Einleitung
1.1 Bodenalgen
1.2Biotests
1.2.1 Anwendungsgebiete von Biotests
1.2.2Bedeutung von Biotests im gesetzlichen Rahmen
1.2.3Biotests mit Algen
1.3Problemstellungen und Ziele
1.4Testsubstanzen
2 Material und Methoden
2.1 Bodenproben
2.2Isolierung von Bodenalgen
2.3Bodenalgen aus belasteten und unbelasteten Böden
2.3.1 Bodenanalytische Methoden
2.3.2Isolierungsversuche von schwermetallhaltigen Böden
2.3.3Isolierungsversuch am Darßer Ort
2.4Der Gel- und Boden-Biotest
2.4.1Versuchsdurchführung für den Gel-Biotest
2.4.2Versuchsdurchführung für den Boden-Biotest
3 Ergebnisse
3.1 Isolierte Bodenalgen
3.1.1 Algenabundanzen in den schwermetallhaltigen Böden
3.1.2Algenabundanzen in Böden vom Darßer Ort
3.2Biotestsystem
3.2.1 Auswahl der Biotestorganismen für die Biotests
3.2.2Wuchsverhalten der ausgewählten Biotestorganismen
3.2.3Gel-Biotest
3.2.4Boden-Biotest
4 Diskussion
4.1 Isolierung von Bodenalgen
4.2Algen in schwermetallhaltigen Böden
4.2.1 Bodenparameter
4.2.2Algenabundanzen
4.3Algen in Böden vom Darßer Ort
4.3.1 Bodenparameter
4.3.2Algenabundanzen
4.4Der Gel-Biotest für die Bewertung von Cadmium und Isoproturon
4.4.1 Auswahl der Biotestorganismen
4.4.2Mikrotiterplattenmethode
4.4.3Standardisierung des Gel-Biotests
4.4.4Toxikologische Kennwerte für Cadmium und Isoproturon im Gel-Biotest
4.4.5Vorteile des Gel-Biotests gegenüber dem DIN-Algentest
4.5Der Boden-Biotest für die Bewertung von Cadmium und Isoproturon
4.5.1 Methode
4.5.2Standardisierung des Boden-Biotests
4.5.3Toxikologische Kennwerte für Cadmium und Isoproturon im Boden-Biotest
4.6Vergleich der Ergebnisse vom Gel-Biotest und Boden-Biotest
4.7Vergleich des Biotestsystems mit Bodenalgen gegenüber anderen Biotests
5 Ausblick
6 Zusammenfassung
7 Summary
Abkürzungsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis
Bibliographie Literatur
Danksagung
Lebenslauf
Anhang A Sachregister
Anhang B Anhang (Daten)

Tabellenverzeichnis

Tab. 1 : Angabe der Abundanzen verschiedener Bodenmikroorganismengruppen, BBM (Bold’s Basal Medium)
Tab. 2 : Beschreibung der Probenahme
Tab. 3 : Versuchsdaten zur mikrobiologischen Aufarbeitung des Bodens
Tab. 4 : Gesamtschwermetallgehalte (Königswasseraufschluß) und CaCl 2 -lösliche Fraktionen in mg/kg TS Boden (Tiefe: 0 cm bis 5 cm). Fett gedruckt sind die erhöhten Schwermetallkonzentrationen, K l und K r (Kontrollparzellen im linken und rechten Bereich der Versuchsanlage).
Tab. 5 : Versuchsdaten zur mikrobiologischen Aufarbeitung des Bodens
Tab. 6 : Ergebnisse der Bodenanalytik des Isolierungsversuchs Darßer Ort; n. n. (nicht nachweisbar), * (Meßwerte im Bereich des Blindwertes)
Tab. 7 : Ergebnisse der Bodenanalytik des Isolierungsversuchs Darßer Ort 1996; Ww (Wassergehalt), C/N (Kohlenstoff/Stickstoff-Verhältnis)
Tab.  8 :Teststoffkonzentrationen für Cadmium (Cd) und Isoproturon (IPU), die in beiden Biotests verwendet wurden
Tab.  9 :Methodischer Aufbau des Gel- und Boden-Biotests.
Tab. 10: Algen, die in die Stammsammlung aufgenommen werden konnten
Tab.  11: Algen, die als Biotestorganismen im Gel-Biotest und Boden-Biotest eingesetzt wurden. Graue Schrift: Biotestalgen (s. Fototafel 4, S. 48 bis 49) des Boden-Biotests und des Gel-Biotests; schwarze Schrift: Biotestalgen, die nur im Gel-Biotest eingesetzt wurden.
Tab.  12: EC 10 -, EC 50 -Werte (96 h) und 95 -Konfidenzintervalle (KI) des Gel-Biotests für Cadmium aus vier Wiederholungsversuchen und Isoproturon aus einem Versuch mit vier Wiederholungen in mg/l OECD-Medium, nominal
Tab. 13: EC10- und EC50-Werte (96 h) und 95 -Konfidenzintervalle (KI) des Boden-Biotests für Isoproturon in mg/kg OECD-Mediumbodengemisch, nominal.
Tab.  14 : EC50-Werte des Gel- und Boden-Biotests für Cadmium und Isoproturon in mg/l OECD-Medium beim Gel-Biotest und in mg/kg OECD-Mediumbodengemisch beim Boden-Biotest; n. g. (nicht getestet).
Tab.  15 : Vergleich der EC 50 -Werte für Cadmiumchlorid aus Biotests mit unterschiedlichen Testorganismen in Flüssignährmedien (Ausnahme: Pflanzenbiotest), Cadmiumchlorid als Cadmium in mg/l angegeben
Tab.  16 :  Vergleich der EC 50 -Werte für Isoproturon aus Biotests mit unterschiedlichen Organismen in Flüssignährmedien
Tab.  17 : EC 50 -Werte für Cadmiumchlorid mit unterschiedlichen Boden-Biotests, Cadmium in mg/kg TS Boden angegeben
Tab.  18:  EC 50 -Werte oder prozentuale Hemmungen gegenüber der Kontrolle für Isoproturon mit unterschiedlichen Boden-Biotests; EC 50 - Werte in mg/kg OECD-Mediumbodengemisch
Tab.  19:  Die BodenalgenmittelwerteEC 50 und die EC 50 -Werte von Scenedesmus subspicatus des Gel-Biotests und des Boden-Biotests für Cadmium und Isoproturon in mg/l OECD-Medium beim Gel-Biotest und in mg/kg OECD-Mediumbodengemisch beim Boden-Biotest.
Tab.  20:  Vorteile des entwickelten Biotestsystems mit Bodenalgen, bestehend aus Gel- und Boden-Biotest, gegenüber anderen Biotests
Tab. A1: Bodenanalytik, Schwermetallversuch 1995, zwei Tiefen (0 cm bis 1 cm und 0 cm bis
5 cm), Gesamtschwermetallgehalte und weitere Bodenelemente (Königswasseraufschluß) für blei- und cadmiumbelastete Bodenparzellen; erhöhte Schwermetallkonzentrationen sind grau geschrieben.
Tab. A2: Bodenanalytik; Schwermetallversuch 1995, zwei Tiefen (0 cm bis 1 cm und 0 cm bis 5 cm), Daten des CaCl2-Aufschlusses, des Wassergehaltes, der organischen Substanz (o. S.) und des pH-Wertes (CaCl2). Erhöhte Schwermetallkonzentrationen sind grau geschrieben; Quecksilber und Arsen wurden aufgrund des geringen Gesamtgehaltes nicht vermessen.
Tab. A3: Bodenanalytik, Schwermetallversuch 1996. Die mit * gekennzeichneten Werte sind errechnete Mittelwerte aus den jeweiligen vier Einzelwerten. Die Werte der organischen Substanz, die mit ** gekennzeichnet sind, wurden mit dem Elementaranalysator als „Kohlenstoff organisch“ (Corg.·2) gemessen. Einige Untersuchungen konnten nur für die Mischproben durchgeführt werden, da die Untersuchungen zu kostenintensiv waren. Werte der Leitfähigkeit, organische Substanz (org. Sub.) und Wassergehalt (Ww) sind Doppelbestimmungen
Tab. A4: Schwermetallversuch 1995, gezählte Kolonien pro Petrischale, Mittelwerte (MW) von jeweils acht Petrischalen und Standardabweichung. Je Petrischale wurden 50 µl (Tiefe: 0 cm bis 1 cm) und 100 µl (Tiefe: 0 cm bis 5 cm) Bodenlösung (5,0 g naturfeuchte Erde auf 250 ml BBM) aufgebracht; Algen ohne Kieselalgen (A o. K.), Kieselalgen (K), Cyanobakterien (C).
Tab. A4 Fortsetzung
Tab. A5: Algenabundanzen, Schwermetallversuch 1995, Mittelwerte (MW) und Umrechnung von cfu/50 µl bzw. cfu/100 µl auf cfu/g TS Boden. Gegenüber Tab. A4 sind in dieser Tabelle Algen und Kieselalgen zusammengefaßt und werden in Abb. 3 als Gesamtalgenzahl bezeichnet.
Tab. A5 Fortsetzung :
Tab. A6: Schwermetallversuch 1996, gezählte Kolonien pro Petrischale: Pro Petrischale wurden 100 µl einer Bodenlösung (2,5 g naturfeuchter Boden auf 250 ml BBM) aufgebracht. Bodentiefe: 0 cm bis 5 cm, Mittelwerte (MW), Algen (A), Kieselalgen (K) und Cyanobakterien (C).
Tab. A7: Algenabundanzen, Schwermetallversuch 1996, Umrechnung der ermittelten Koloniezähldaten (Mittelwerte) von cfu/ 100 µl auf cfu/g TS Boden für die Bodentiefe 0 cm bis 5 cm, Gesamtalgenzahl (alle eukaryontischen Algen, also auch die Kieselalgen).
Tab. A8: Versuch Darßer Ort 1996, gezählte Kolonien pro Petrischale. Pro Petrischale wurden 100 µl (bei den mit * markierten Proben wurden 50 µl aufgebracht und mit 2 multipliziert) einer Bodenlösung, (30,0 g bei D 5/1-8 und 10,0 g bei D 6/1-8 naturfeuchter Boden auf 250 ml BBM) aufgebracht, Mittelwerte (MW), Algen (A), Kieselalgen (K) und Cyanobakterien (C).
Tab. A9: Algenabundanzen, Darßer Ort 1996, Umrechnung der ermittelten Algenkolonienzahlen (Mittelwerte) von cfu/100 µl auf cfu/g TS Boden für die Bodentiefe 0 cm bis 5 cm; Gesamtalgenzahl (A + K = alle eukaryontischen Algen, also auch die Kieselalgen).
Tab. A10:  Scenedesmus subspicatus
Tab. A11:  Xanthonema tribonematoides
Tab. A12:  Stichococcus bacillaris
Tab. A13:  Klebsormidium flaccidum
Tab. A14:  Xanthonema montanum
Tab. A15:  Chlamydomonas chlorococcoides
Tab. A16: Daten der Wachstumskurven der sechs Biotestalgen (Kontrollen) im Gel-Biotest, Mittelwert (MW) von vier Wiederholungen eines Versuches mit Standardabweichung (ST)
Tab. A17: Konzentrationen für Cadmium und Isoproturon
Tab. A17.1: Messung nach 0 h, Teststoff Cadmiumchlorid
Tab. A17.2: Messung nach 24 h, Teststoff Cadmiumchlorid
Tab. A17.3: Messung nach 48 h, Teststoff Cadmiumchlorid
Tab. A17.4: Messung nach 72 h, Teststoff Cadmiumchlorid
Tab. A17.5: Messung nach 96 h, Teststoff Cadmiumchlorid
Tab. A17.6: Messung nach 0 h, Teststoff Cadmiumchlorid
Tab. A17.7: Messung nach 24 h, Teststoff Cadmiumchlorid
Tab. A17.8: Messung nach 48 h, Teststoff Cadmiumchlorid
Tab. A17.9: Messung nach 72 h, Teststoff Cadmiumchlorid
Tab. A17.10: Messung nach 96 h, Teststoff Cadmiumchlorid
Tab. A17.11: Messung nach 0 h, Teststoff Cadmiumchlorid
Tab. A17.12: Messung nach 24 h, Teststoff Cadmiumchlorid
Tab. A17.13: Messung nach 48 h, Teststoff Cadmiumchlorid
Tab. A17.14: Messung nach 72 h, Teststoff Cadmiumchlorid
Tab. A17.15: Messung nach 96 h, Teststoff Cadmiumchlorid
Tab. A17.16: Messung nach 0 h, Teststoff Cadmiumchlorid
Tab. A17.17: Messung nach 24 h, Teststoff Cadmiumchlorid
Tab. A17.18: Messung nach 48 h, Teststoff Cadmiumchlorid
Tab. A17.19: Messung nach 72 h, Teststoff Cadmiumchlorid
Tab. A17.20: Messung nach 96 h, Teststoff Cadmiumchlorid
Tab. A17.21: Messung nach 0 h, Teststoff Isoproturon (IP)
Tab. A17.22: Messung nach 24 h, Teststoff Isoproturon
Tab. A17.23: Messung nach 48 h, Teststoff Isoproturon
Tab. A17.24: Messung nach 72 h, Teststoff Isoproturon
Tab. A17.25: Messung nach 96 h, Teststoff Isoproturon
Tab. A18.1:  Scenedesmus subspicatus
Tab. A18.2:  Xanthonema tribonematoides
Tab. A18.3:  Xanthonema montanum
Tab. A18.4:  Chlamydomonas noctigama
Tab. A18.5:  Scenedesmus subspicatus
Tab. A18.6:  Xanthonema tribonematoides
Tab. A18.7:  Xanthonema montanum
Tab. A18.8:  Chlamydomonas noctigama
Tab. A18.9:  Scenedesmus subspicatus
Tab. A18.10:  Xanthonema tribonematoides
Tab. A18.11:  Xanthonema montanum
Tab. A18.12:  Chlamydomonas noctigama

Abbildungsverzeichnis

Fototafel 1 Bild 1: Abbildung einer Beprobungsparzelle mit einem schwermetallhal-tigen Boden.
Fototafel 1 Bild 2: Foto eines Teils einer Cyanobakterienkolonie auf Agar.
Fototafel 1 Bild 3: Kolonien von Bo-denalgen auf Agar. Die Kieselalgen sind durch ihre bräunliche Färbung erkennbar.
Fototafel 2 Bild 1: Probenahmeort D 5. Links neben dem Zollstock befinden sich die 8 Probeneinstiche.
Fototafel 2 Bild 2: Einstichstellen von D 5. Sandiger Boden mit schwachem Bewuchs.
Fototafel 2 Bild 3: Probenahmeort D 6. Sandiger Boden mit stärkerem Bewuchs gegenüber D 5. Links neben dem Zollstock liegen die 8 Probeneinstiche.
Abb. 1: Befüllungsschema der Mikrotiterplatten. Exemplarisch sind die erste und fünfte Mikrotiterplatte dargestellt. LK (Leerwert Kontrolle, Medium ohne Zellen und ohne Cadmium); LCd1 (Leerwert, Medium ohne Zelle mit Cadmiumkonzentration 1); CdK (Kontrolle); Cd1 (erste Cadmiumkonzentration mit Zellen); H2O (steriles Aqua dest.).
Abb. 2: Befüllungsschema der Mikrotiterplatte für den Boden-Biotest. K 1 bis 4 (Kontrolle); Cd 1/1 (Cadmiumkonzentration 1 mit Alge 1), H2O (steriles Aqua dest.).
Abb. 3 a) Algenabundanzen des Schwermetallversuches von 1995 mit vier Kontrollparzellen und je zwei Parzellen pro Konzentrationsstufe und Schwermetall (gemessene Cadmium- und Bleigesamtgehalte), Bodentiefen a) 0 cm bis 1 cm und b) 0 cm bis 5 cm, Gesamtalgenzahl (alle eukaryontischen Algen). Die Kieselalgen sind in der Gesamtalgenzahl enthalten und zusätzlich separat dargestellt. K l und K r (Kontrollparzellen im linken bzw. rechten Bereich des Versuchsfeldes).
Abb. 3 b) Algenabundanzen des Schwermetallversuches von 1995 mit vier Kontrollparzellen und je zwei Parzellen pro Konzentrationsstufe und Schwermetall (gemessene Cadmium- und Bleigesamtgehalte), Bodentiefen a) 0 cm bis 1 cm und b) 0 cm bis 5 cm, Gesamtalgenzahl (alle eukaryontischen Algen). Die Kieselalgen sind in der Gesamtalgenzahl enthalten und zusätzlich separat dargestellt. K l und K r (Kontrollparzellen im linken bzw. rechten Bereich des Versuchsfeldes).
Abb. 4: Algenabundanzen des Schwermetallversuches von 1996 mit vier Kontrollparzellen und je vier Parzellen pro Konzentrationsstufe und
Schwermetall (Cadmium und Blei); beprobte Bodentiefe: 0 cm bis 5 cm, Gesamtalgenzahl (alle eukaryontischen Algen)
Fototafel 3 Bild 1: Versuchsparzellen, die hoch mit Blei belastet waren.
Fototafel 3 Bild 2: Einstiche des Bodenstechers in einer hoch mit Blei belasteten Parzelle. Es war kein grünlicher Biofilm auf dem Boden zu erkennen.
Fototafel 3 Bild 3: Einstiche des Bodenstechers in einer hoch mit Cadmium belasteten Parzelle. Es war ein grünlicher Biofilm erkennbar.
Abb. 5: Algenabundanzen von zwei Probenahmeorten (D 5 und D 6) vom Darßer Ort. Es wurden je 8 Einzelproben im Abstand von 20 cm genommen. Beprobte Bodentiefe: 0 cm bis 5 cm, Gesamtalgenzahl (alle eukaryontischen Algen). Kieselalgen zusätzlich separat dargestellt.
Fototafel 4 Bild 1: Xanthonema tribonematoides, Vergrößerung 630fach, Differential-Interferenzkontrast
Fototafel 4 Bild 2: Klebsormidium flaccidum, Vergrößerung 630fach, Differential-Interferenzkontrast
Fototafel 4 Bild 3: Stichococcus bacillaris, Vergrößerung 1 000fach, Phasenkontrast
Fototafel 4 Bild 4: Xanthonema montanum, Vergrößerung 630fach, Differential-Interferenzkontrast
Fototafel 4 Bild 5: Chlamydomonas noctigama,Vergrößerung 630fach, Differential-Interferenzkontrast
Fototafel 4 Bild 6: Scenedesmus subspicatus, Vergrößerung 1 000fach, Phasenkontrast
Abb. 6: Wachstumskurven der verwendeten Biotestalgen innerhalb der ersten 96 h
Abb. 7: Algenwachstum der Testalgenin Prozent gegenüber der Kontrolle (Kontrolle = 100 %, nicht dargestellt) im Gel-Biotest nach 96 h mit Standardabweichung bei unterschiedlichen Cadmiumkonzentrationen.
Abb. 8: Algenwachstum in Prozentgegenüber der Kontrolle (Kontrolle = 100 , nicht dargestellt) im Boden-Biotest mit Standardabweichungnach 96 h bei unterschiedlichen Isoproturonkonzentrationen.
Fototafel 5 Bild 1: Mikrotiterplattenausschnitt des Boden-Biotests nach 96 h, von links nach rechts Zunahme der Isoproturonkonzentration.
Fototafel 5 Bild 2: Ausschnittsvergrößerung der Mikrotiterplatte.
Fototafel 5 Bild 3: Bodensuspension mit Chlamydomonas noctigama in der Neubauer-Zellzählkammer, wie sie nach dem Durchlauf durch den Goldfilter im Mikroskop zu sehen ist; Vergrößerung 400fach; zwei Zellen am oberen Bildrand.

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Wed Aug 7 11:00:41 2002