Bio-Monitoring von aquatischen Ökosystemen [Elektronische Ressource] = Biomonitoring of aquatic ecosystems / vorgelegt von Hoda Abd El Aziz Mohamed Ahmed

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• Publié par: friedrich-alexander-universitat_erlangen-nurnberg
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 17
• Langue: English
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Extrait

Bio-Monitoring von Aquatischen
Ökosystemen


Biomonitoring of aquatic ecosystems








Der Naturwissenschaftlichen Fakultät
der Friedrich-Alexander-Universität
Erlangen-Nürnberg


zur


Erlangung des Doktorgrades Dr. rer. nat.





vorgelegt von

Hoda Abd El Aziz Mohamed Ahmed
aus Alexandria (Ägypten)








Als Dissertation genehmigt
von der Naturwissenschaftlichen Fakultät
der Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg








Tag der mündlichen Prüfung: 24.09.2010

Vorsitzender der Promotionskommission: Prof. Dr. Eberhard Bänsch
Erstberichterstatter: Prof. Dr. Dr. h. c. Donat-Peter Häder
Zweitberichterstatter: Prof. Dr. Ralf Anken



II













Dedication
To my late father
To my lovely mother
Hoda



















III
Acknowledgements

I’m greatly indebted to my supervisor, Prof. Dr. Dr. h. c. Donat-Peter Häder for his keen
supervision and valuable advice from the initial to the final development of this thesis.
His indispensable guidance and support was of great value to me.
I would like to express my deep and sincere gratitude for the financial and personal
support that I received from the German Academic Exchange service (Deutsche
Akademischer Austauch Dienst (DAAD) and the government of the Arab Republic of
Egypt for granting me such a valuable Ph.D. scholarship. I would like to thank the
Botany and Microbiology department, Faculty of Science and Alexandria University for
electing me for the Ph.D. scholarship.
I would like to thank Prof. Dr. Ralf Anken for being my second reviewer. I also wish to
express my appreciation to Dr. Peter Richter and Dr. Manfred Klisch for their advice
and helpful suggestions. This appreciation is also extended to cover all colleagues and
members at Chair of the Plant Ecophysiology.
I would like to convey my gratitude to my best friends Friedrike shöck, Isabelle
Zagaroski, and Katharine Zagaroski for their continuous assistance in many aspects.
Special hearty appreciation is due to my mother, my sisters; especially Ebtesam, my
brothers and my husband Adel Hassan who have been supporting me with their
unreserved love, encouragement and continuous help.
Hoda













IV
Zusammenfassung

Die Steigerung anthropogener Tätigkeit, in Verbindung mit einer ständig wachsenden
Weltbevölkerung, hat in den letzten Jahrzehnten zu einer weitreichenden Beeinträchtigung
der Wasserqualität und zu Wasserverschmutzung geführt. Die Entwicklung von
Frühwarnsystemen, in Form von Bioassays, welche auf physiologischen Antworten von
Testorganismen gegenüber Schadstoffen beruhen, könnte wertvolle Werkzeuge für den
Schutz und das Management von Wasserökosystemen darstellen. Zusätzlich zu
chemischen und physischen Analysen ist Biomonitoring von Wasserökosystemen von
hoher Wichtigkeit. Wie in den letzten Jahren herausgefunden wurde, ist der einzellige
Süßwasser flagellate Euglena gracilis ein idealer Organismus, um
Wasserverschmutzungen festzustellen, bzw. um die Wasserqualität zu überwachen. Im
Rahmen intensiver Untersuchungen wurde festgestellt, dass dieser Organismus sehr
empfindliche physiologische Reaktionen gegenüber verschiedenen Schadstoffklassen
zeigt. Das Ziel der vorliegenden Untersuchung war es die Antworten verschiedener
physiologischer Parameter von E. gracilis gegenüber unterschiedlichen Schadstoffklassen
zu prüfen, um dabei zu ermitteln, ob ökologische Endpunkte (Bezugspunkte der
Wasserqualität beim Biomonitoring) mit diesem Organismus festgestellt werden können.
Neun Motilitäts- und Orientierungsparameter, mehrere photosynthetische Parameter, sowie
der Schadstoffeinfluss auf fünf photosynthetische Pigmente wurden experimentell als
Endpunkte gemessen.
Im ersten Teil der Studie wurden Bewegungsanalyse von E. gracilis als Antwort auf
Schwermetalle (Cu, Cd, Ni und Hg), Abwasserproben, Chlorine und Organische
Xenobiotische Schadstoffe (2,4-DCP und PCP) mit einem ECOTOX-System untersucht.
Dieses System ist ein automatisches Instrument, welches die Bewegungen von Organismen
in Abhängigkeit von Schadstoffen im Wasser analysiert. Die ECOTOX-Software beruht
auf einer Echtzeitbildanalyse des Bewegungsverhaltens von Organismen.
Bewegungsparameter (Beweglichkeit, Geschwindigkeit), Zellform und
Orientierungsparameter (nach oben schwimmender Zellen und Präzision der
gravitaktischen Orientierung), werden bestimmt. Der Bioassay wurde für kurze - und
langfristige Schadstoffexpositionszeiten im Intervall von drei Minuten bis zu sieben Tagen
durchgeführt. Die erhaltenen Messwerte wurden mit Sigmaplot, 2001 für Windows 2000
(SPSS Inc.) mathematisch weiter bearbeitet. Für viele Schadstoffe wurden
Wirkungskonzentrationskurven (Effect concentration, EC) ermittelt und die EC -Werte 50
V
(d.h. 50-prozentiger Einfluss des Schadstoffes auf einen physiologischen Parameter)
bestimmt. Außerdem können andere ökotoxikologische Kenngrößen wie NOEC (no
observed effect concentration), Lethal dose (LD) und die niedrigsten Verdünnungsfaktor,
bei dem sich eine Hemmwirkung kleiner als ein festgelegter Grenzwert (G-Wert)
berechnet werden. Als Antwort auf die Schwermetalle Kadmium und Nickel verminderten
-1sich die EC Werte der Beweglichkeit von Euglena von 235 und 202 mg L unmittelbar 50
-1nach Exposition, zu 10 und 0.86 mg L nach einer Inkubationszeiten von 24 Stunden. Bei
Kupferexposition von drei Minuten zeigten sich deutliche Änderungen in den
Beweglichkeits-Parameter der Algae. Die EC -Werte für die Hemmung der 50eit, die Präzision der Orientierung (r-Wert), die Geschwindigkeit und dem
Anteil nach oben schwimmender Zellen (repräsentiert negativ gravitaktische Orientierung)
-1betrugen 19, 20.4, 23 und 50 mg L . Im Gegensatz zu Nickel und Kadmium führte eine
längere Exposition von 24 Stunden gegenüber Kupferionen nicht zu einer ausgeprägten
Steigerung der Hemmung der Beweglichkeitsparameter. Nach einer Quecksilber
Kurzzeitaussetzung wurde der Parameter Beweglichkeit mit einem EC -Wert von 38 mg 50
-1L am empfindlichsten beeinträchtig. Der Anteil nach oben schwimmender Zellen war mit
-1 einem EC -Wert von 59 mg L am geringsten beeinträchtigt. Geschwindigkeit und r-Wert 50
zeigten gleiche Empfindlichkeit gegenüber Hg mit sehr ähnlichen EC -Werten von 50 und 50
-151 mg L . Bei längerer Expositionszeit zu Quecksilber (bis zu 24 Stunden) war die
Reihenfolge der Empfindlichkeit von r-Wert über Beweglichkeit, Geschwindigkeit zu
-1 -1 -1 -1Aufwärtsschwimmen mit den EC -Werten 26 mg L , 35 mg L , 39 mg L und 40 mg L . 50
Bei kurzfristiger Exposition wurde Euglena am stärksten durch Kupfer und in abfallender
Reihenfolge durch Quecksilber, Nickel und Kadmium beeinträchtigt. Bei 24-Stündiger
Exposition änderte sich die Reihenfolge der Schwermetallgiftigkeit: Cd > Ni > Cu > Hg.
Danach zeigte die weitere Verweildauer von 2 − 7 Tagen unbedeutende Änderungen in den
EC -Werten. Die Beweglichkeit, im Gegensatz zu anderen gemessenen 50
Bewegungsparametern, wurde von den meisten der geprüften Schwermetalle bereits bei
einer niedrigeren Konzentrationen gehemmt. Das könnte auf eine Hemmung von
Proteinen, wie z.B. Calmodulin durch Schwermetalle zurückzuführen sein.
Die Überprüfung von Abwasserproben verschiedener Herkunft wurde mit dem ECOTOX-
Systemvorgenommen. In den meisten der getesteten Abwasserproben wird die Präzision
der Orientierung (r-Wert) bereits bei Konzentrationen gehemmt, die noch keine Wirkung
auf die anderen Bewegungsparameter zeigte. Es wurde festgestellt, dass Beweglichkeit und
Zellform die am wenigsten durch die Abwasserproben gehemmten wurden. Das könnte
VI
beispielsweise an die Wirkung auf Kalciumkanälen in der Zellmembran beruhen, welche
eine Rolle als Gravirezeptoren haben. Dieser Biotest ist auch in der Lage unterschiedlich
hohen Schadstoffgehalt in Wasserproben nachzuweisen, was z.B. für die Analyse der
Wasserqualität vor und nach einer Reinigungsstufe interessant ist. Darüber können
Aussagen über die Leistungsfähigkeit des Reinigungsschritts abgeschätzt werden.
Weiterhin könnte dieser Biotest auch dazu herangezogen werden die Belastungen in einem
Problemgebiet zu kartieren. Je nach Belastungsgrad treten mehr oder weniger starke
Effekte bei dem