DD274247A1

DD274247A1 - Verfahren zur gewaesserueberwachung

Info

Publication number: DD274247A1
Application number: DD31825588A
Authority: DD
Inventors: Helmut Augsten; Anette Gebhard; Anatoli G Chetverikov; Sergej P Verenchikov
Original assignee: Univ Schiller Jena
Priority date: 1988-07-25
Filing date: 1988-07-25
Publication date: 1989-12-13

Abstract

Das Verfahren zur Gewaesserueberwachung beruht auf der Schnellbestimmung von Gewaesserverunreinigungen durch Schwermetalle und kann in Einrichtungen des Umwelt- und Gewaesserschutzes angewendet werden. Intakte Ganzpflanzen, vorzugsweise Lemnaceen (Wasserlinsengewaechse), werden als Indikatorpflanze benutzt und in das zu pruefende Gewaesser oder in entsprechende Wasserproben uebertragen oder es werden die im Gewaesser von vornherein vorhandenen Organismen untersucht. Die photosynthetische Effektivitaet der Indikatorpflanzen (Verhaeltnis von Photosystem II/Photosystem I) wird ESR (Elektronenspinresonanz)-spektroskopisch bestimmt; sie ist nach Schwermetallbelastung vermindert. Dieser Effekt ist schon nach 15 min Exposition sicher erfassbar und von Expositionszeit und Schwermetallkonzentration abhaengig. Verschiedene Schwermetalle (Quecksilber, Cadmium, Kupfer) zeigen vergleichbare Wirkungen.

Description

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewässerüberwachung und zur Schnellbestimmung von Gewässerverunreinigungen. Erfindungsgemäß werden intakte Ganzpflanzen, vorzugsweise Lemnaceen (Wasserlinsengewächse), in das zu prüfende Gewässer oder in entsprechende Wasserproben übertragen oder es werden die im Gewässer von vornherein vorhandenen, als Indikatorpflanzen geeigneten Organismen untersucht. Die photosynthetische Effektivität der Indikatorpflanzen (Verhältnis von Photosystem Il/Photosystem I) wird ESR (Elektronenspinresonanzl-spektroskopisch bestimmt und mit den entsprechenden Werten des Kontrollmaterials verglichen.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Im Rahmen des Umweltschutzes kommt der Überwachung der Gewässer und der industriellen Abwässer insbesondere bezüglich ihres Schwermetallgehaltes große Bedeutung zu. Schwermetalle können aufgrund ihrer Toxizität Lebewesen schädigen· außerdem können sie in Abwässern durch Vergiftung des Belebtschlammes zum Ausfall der Kläranlagen führen. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnostizierung und Bestimmung von Umweltschäden an Pflanzen sowie zur Ermittlung von Gewässerverunreinigungen durch Schwermetalle. Das Verfahren erlaubt die Schnellbes,timmung des Schädigungszustandes der Indikatorpflanzen im Sinne eines Biomonitoring sowie die Bestimmung des Ausmaßes der Gewässerverunreinigung. Anwendungsgebiete dieses Verfahrens sind die Ermittlung von Schwermetall-bedingten Schäden an Wasserpflanzen im Rahmen von Umweltschutzuntersuchungen sowie die Erfassung entsprechender Gewässerverunreinigungen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Zur Gewässerüberwachuny sind Untersuchungsverfahren bekannt, die einzelne Wasserproben zu verschiedenen Zeiten entnehmen und im Labor mittels chemischer oder elektrochemischer Methoden auswerten. Auch Verfahren mit Kontinuierlich arbeitenden Geräten zur Registrierung der Wassergüte durch Messung der Spannung, der Leitfähigkeit und der Widerstände wurden bereits vorgeschlagen. Diese bekannten Verfahren imd Geräte gestatten aber wegen der diskontinuierlichen Probenahme keine exakte Feststellung der Wassergüte über einen längeren Zeitraum bzw. benötigen bei kontinuierlicher Überwachung einen großen Geräteaufwand vor Ort bei hoher Störanfälligkeit und hohem Wartungsaufwand. Außerdem bleiben die natürlichen Lebensvorgänge im Wasser unberücksichtigt.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, zum Nachweis toxischer Substanzen in Gewässern intakte Organismen einzusetzen (z. B. kleine Wassertiere, Bakterien, Algen u. a. Wasserpflanzen) und ihr Verhalten in Reaktion auf die Schadstoffe zu überprüfen. Diese Verfahren sind ungenau und zeitaufwendig. Vorhandene Verfahren zur Bestimmung von Schadstoffen in Gewässern durch Erfassung von Primärprozessen bei Organismen sind methodisch und apparativ sehr aufwendig und als kontinuierliche arbeitende Routineverfahren ungeeignet.

Der spezielle Nachweis von Schwermeiallschäden beruht auf akkumulativen (Schwermetallanreicheruny) oder reaktiven (Voränderung pflanzenspezifischer Parameter) Indikationsverfahren sowie auf visueller M^rkmalsei fassung (Wcchstumsdepression, Ausbildung von Nekrosen u. a.). Diese Nachweismethoden sind weitgehend unspezifisch und erfordern lange Untersuchungszeiträuine. Außerdem werden nicht die primären Schwe metallwirkungen, sondern nur die im Ergebnis der Langzeitwirkung auftretenden Sekundäreffekte erfaßv.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteh» darin, die Verfahren zur Ermittlung von Schwermetallschäden bei Pflanzen sowie die Verfahren zur Ermittlung von Gewässerverunreinigungen durch Schwermetalle unter Ausschluß der dargelegten Mängel weiterzuentwickeln.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das die Schneilsrfassung von primären Schwermetallschäden bei Pflanzen gestattet und bei dem sichere und miteinander vergleichbare Meßergebnisse erzielt werden. Damit soll ein Beitrag zum Aufbau standardisierter Testverfahren für das Biomonitoring von Umweltschäden geleistet werden. Erfindungsgemäß wird die Aufgrbe dadurch gelöst, daß intakte Ganzpflanzen dem zu prüfenden Gewässer entnommen und als Indikator photosynthetisch bestin mt und mit den im analogen Verfahren ermittelten Kontrollwerten verglichen werden. Die Indikatorpflanzen -vorzugsweise Lern naceen -werden dem zu prüfenden Gewässer entnommen oder in das zu prüfende Gewässer (z. B. Einleitungsstelle von Abwasser in ein Gewässer) oder in einsprechende Wassorproben eingebracht und nach 15min Exposition wieder entnommen. Lemnacsen sind weltweit verbreitet, unter Freilandbedingungen oft massenhaft verfügbor und unter axenischen Bedingungen gut kultivierbar (AUGSTEN, H., Biol. Rdsch. 22,225-235 1984; LANDOLT, E., Veröff. Geobot. Inst. ETH, Stiftung Rubel, Zürich, 71. Heft, 1-566,1986). Die Fixierung der Indikatorpflanzen am Untersuchungsort eines strömenden Gewässers kann mittels eines verankerten, vom Wasser allseitig durchflossenen Holzrahmens oder eines geeigneten Behälters erfolgen, der vom Wasser durchflossen wird.

Bei Schwermetaliuclastung des Gewä >sers ist die photosynthetische Effektivität der Indikatorpflanzen (Verhältnis von Photosystem Il/Photosystem I = PS H/PS I) gegenüber den Kontrollpflanzen verändert, wobei die Stärke der Schädigung in Abhängigkeit von Expositionszeit und Schwcrmetallkonzentratic;i mit einer signifikanten Änderung der PS U/PS I-Relation korreliert. Diese veränderte Relation ist direkter Ausdruck eines Kurzzeiteffektes und damit einer primären Schwermetallwirkung, die auf einer Beeinflussung der Photolyse des Wassers im Photosystem Il beruht. Verschiedene Schwermetalle (Quecksilber, Cadmium, Kupfer) zeigen vergleichbare Wirkungen. Die Erfassung des ⁿS H/PS !-Verhältnisses erfolgt durch ESR-Spektroskopie, die eine leicht und schnell durchführbare, standardisierbare Bestimmung gewährleistet. Das Verfahren wird wie folgt durchgeführt: Das Schwermetall-bebstete Pflanzen;naterial (100-150mg Frischsubstanz) wird bei Licht (Bestrahlungsstärke 10-40Wm"²) durch Eintauchen in flüssigen Stickstoff fixiert. Die Elektronenmagnetresonanz-Spektren werden bei Tieftemperaturen (flüssiger Stickstoff) und einer Bestrahlungsintensität von mindestens 300Wm"² registriert (Magnetfeldstärke des Meßgerätes 10mW; Modularität 2 Gauß). Das ESR-Spektrum der Pflanzenprobe zeigt 2 Signale (Fig. 1). Signal 1 (ESR 1), registriert bei einem g-Faktor von 2,006, gibt die Effektivität des PS I an, (A₁), Signal 2 (ESR 2), registriert bei einem g-Faktor von 2,015, widerspiegelt die Effektivität des PS Il (A₂). Aus der Höhe der Amplituden Ai und A₂ errechnet sich der Faktor k, der das Verhältnis von PS U/PS I und damit den Anteil beider Photosysteme an der photosynthetischen Effektivität angibt:

PS II/PSI = k =

A,

Erfindungsgemäß bleibt das PS II/PS I-Verhältnis bei den Kontrollpflanzen konstant, während es nach Schwermetallbelastung 'der Pflanze vermindert wird.

Der Vorteil des dargelegten Verfahrens besteht in der Möglichkeit, Gewässerverunreinigungen durch Schwermetalle und die dadurch verursachten Pflanzenschäden durch Schnellbeetimmung des PS II/PS !-Verhältnisses mittels ESR-Spektroskopie innerhalb kurzer Zeit zu erfassen. Weitere Vorteile sind, daß die Erfassung der Pflanzenschäden auf der Registrierung primärer Schwermetallwirkungen beruht, daß die analysierten photosynthetischen Primärprozesse (Effektivität der Elektronemransportketten des PS I und PS II) nicht an enzymatische Folgeprozesse gekoppelt sind, daß die Untersuchungen an Ganzpflanzen durchführbar sind und daß auf eine Isolierung der Chloroplasten bzw. Thylakoidmembranen verzichtet werden kann. Es ergibt sich die Möglichkeit, das Verfahren zur Untersuchung auch großer Probemengen aus verschiedenen Gebieten, z. B. in einem methodisch-diagnostischen Zeitraum, ohne großen Zeitaufwand einzusetzen. Die Erfindung soll nachstehend an einem Aus'ührungsbeispiel näher erläutert werden.

Ausführunjsbeispiel

Pflanzen des Stammes SJ von Spirodela polyrhiza (L.) SCHLEIDEN (Lemnaceae) werden in bekannter Weise einer Stammkultur entnommen und unter Einse.z vo 2 Fronds in 50ml-(:rlenmeyer-Enghalskolben mit 25 ml Nährlösung überimpft. Die Nährlösung hat vorzugsweise folgende Zusammensetzung:

KNO₃ 8 mmol r¹

Ca(NO₃)₂-4 H₂O Immoir¹

KH₂PO₄ 1,5mmoir'

MgSO₄-7 H₂O Immoir¹

MnCI₂-4H₂G 0,013mmoir'

H₃BO₃ 0,0013 mmoir¹

Na₂MoO₄-TiH₂O 0,005 mmol I"¹

Fe¹¹¹EDTA 0,025 mmol I"'

Glukose 1OgI"¹

Die Population wird vorteilhafterweise bei 8,8 Wm'² Dauerlicht und 25 ⁰C ±2 ⁰C 9 Tage vorkultiviert (AUGSTEN, H. und A. GEBHARD, Wiss. Z. Pad. Hochschule Potsdam, i. D.) und anschließend dem Schwermetalleinfluß ausgesetzt. Tabelle 1 und die Fig. 2 und 3 belegen, daß der Faktor k (PS II/PS I) in Abhängigkeit von der Einwirkungszeit und der Schwermetallkonzentration vermindert wird. Erfind'.mgsgemäß ist dieser Effekt in der ersten Stunde des Schwermetalleinflusses am stärkste η ausgeprägt, so daß bei Einsatz von Lemnaceen aus Stammkulturen eine Messung innerhalb dieses Zeitraumes besonders günstig ist; bereits nach 15min Exposition ist die Abnahme des PS II/PS !-Verhältnisses sicher erfaßbar.

Tabelle 1

Einfluß von Quecksilb jr, Cadmium und Kupfer (3 · 10"⁶ mol I"¹) auf das PS II/PS I-Verhältnis in Abhängigkeit von der Exposition; Kontrolle (ohne Schwermetall): k (PS II/PS I) = 100.

Exposition	Hg	Cd	Cu
(min)
15	C.%8	(17,6	89,0
30	88,4	«17,8	88,7
45	86.0	{16,4	87,3
60	85,7	85,4	86,9

Legenden

Fig. 1: ESR-Spektrum einer Pflanzenprobe.

H = Richtung des Magnetfeidos; A₁ = Signal 1 (entspricht der Effektivität das PS I);

A₂ = Signal 2 (entspricht der Effektivität des PS II) Fig. 2: Einfluß von Quecksilber (1,5 rr g Γ¹) auf das PS M/PS I-Verhältnis in Abhängigkeit von der Exposition.

V, = PS II/PS I-Verhältnis der Kontrollpflanzen (ohne Quecksilber)

V_b = PS II/PS I-Verhältnis der Ouecksilber-behandelten Pflanzen Fig.3: Einfluß verschiedener Quecksilber-Konzentrationen auf das PS II/PS I-Verhältnis nach 60min Exposition.

V, = PS II/PS I-Verhältnis der Kontrollpflanzen (ohne Quecksilber) V_b = PS II/PS I-Verhältnis der Quecksilber-behandelten Pflanzen

Claims

1. Verfahren zur Gewässerüberwachung und zur Schnellbesti'mmung von Gewässerverunreinigungen durch Schwermetall, dadurch gekennzeichnet, daß die als Indikatorpflanze verwendeten intakten Ganzpflanzen dem zu prüfenden Gewässer entnommen werden und anschließend eine Bestimmung photosynthetischer Prirrärprozesse sowie ein Vergleich der Werte mit den im analogen Verfahren ermittelten Kontrollwerten erfolgen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß primäre Schwermetallwirkungen im Bereich der Photosynthese durch Ermittlung der PS II/PS I-Relation mittels ESR-Spektroskopie erfaßt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Indikatorpflanzen Vertreter aus der Farrilie der Lemnaceen (Wasserlinsengewächse) verwendet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in Nährlösung vorkultivierten Indikatorpflanzen in das zu prüfende Gewässer oder in entsprechende Wasserproben eingebracht und nach der Exposition entnommen und analysiert werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Indikatorpflanzen am Untersuchungsort eines strömenden Gewässers mittels eines verankerten Holzrahmens odereines geeigneten, vom Wasser durchflossenen Behälters fixiert werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Indikatorpflanzen schon nach 15 min Exposition dem zu prüfenden Gewässer oder entsprechenden Wasserproben entnommen und analysiert werden.