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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-24501
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/2450/


Vervliet Scheebaum, Marco

Biomonitoring of herbicide impact using aquatic macrophytes : laboratory and field studies for the evaluation of potential toxicity on aquatic plants

Biomonitoring von Herbizideinflüssen mit aquatischen Makrophyten: Labor- und Feldexperimente zur Abschätzung der potentiellen Toxizität auf Wasserpflanzen

Dokument1.pdf (2.474 KB) (md5sum: f29a864764886bfc18eb6262cbc785bb)

Kurzfassung in Deutsch

Die Bewertung des Herbizideinflusses auf Wasserpflanzen erfolgt zur Zeit anhand von Ergebnissen aus Versuchen mit der monokotylen Lemna sp. und mit Algen. Eine alleinige Einschätzung der Herbizidtoxizität aufgrund solcher Testsysteme birgt gewisse Unsicherheiten, da für einige Herbizide, wie z.B. Auxinherbizide, die toxischer gegenüber Dikotyledonen sind, die Toxizität unterschätzt werden könnte. Lemna sp. ist der einzige Makrophyt für den im Moment ein standardisiertes Protokoll und eine vorläufige OECD Richtlinie mit Angaben zu standardisierten Testbedingungen vorhanden ist. Andere Makrophyten, wie auch geeignete Protokolle für die Durchführung ökotoxikologischer Tests sind in der Vergangenheit schon vorgeschlagen worden. Hauptziel der vorliegenden Arbeit war die Eignung verschiedener Makrophytenspezies in Labor- und Freilandtestsystemen für ein ökotoxikologisches Monitoring zu untersuchen. Es wurde ferner bewertet, ob eine Extrapolation von im Labor gewonnenen Ergebnissen auf Freilandbedingungen möglich ist. Zu diesem Zweck wurde eine Serie von Herbiziden mit unterschiedlicher Wirkweise und physiologisch verschiedene Makrophyten ausgewählt und in Labor- und Freilandexperimenten eingesetzt.
Als Testsystem im Labor dienten kleine Durchflusskammern, sog. Mikrobioreaktoren, in denen der Einfluss von Herbiziden auf die physiologischen Parameter der Makrophyten, Sauerstoff und pH, bewertet wurde. Verschiedene Lemnaceaen und Blätter von Myriophyllum sp. wurden für die Experimente verwendet. Die Ergebnisse wiesen eine hohe Sensitivität der Makrophyten gegenüber denjenigen Herbiziden auf, die in das photosynthetische System eingreifen, wie Atrazin, Simazin und Diquat. Die bei den Makrophyten beobachteten Effekte für diese Herbizide stimmen mit denjenigen Daten überein, die in vorhandenen Labor- und Freilandarbeiten in der Literatur zu finden sind, und bestätigen das enorme Potential des Labortestsystems, um einerseits als schnelles Biomonitoringinstrument eine Bewertung toxischer Substanzen zu erlauben, und anderseits eine Alternative für die Extrapolation von Laborergebnissen in das Freiland zu bieten. Im Gegensatz dazu zeigten Herbizide, deren Wirkweise mittel- oder langfristige Effekte verursachten, eine geringere Sensitivität in den Mikrobioreaktoren als dies aus vorhandenen Experimenten bekannt war. Die Mikrobioreaktoren erwiesen sich als geeignet, um mechanistische Einschätzungen der Wirkweise von Herbiziden vorzunehmen, und zur Beobachtungen von Erholungsprozessen der metabolischen Aktivität nach Exposition mit einem Photosynthese-Hemmstoff wie Atrazin, oder Adaptationserscheinungen nach Herbizideinwirkung. Vielfach konnte eine Reduktion der Hemmung, während des Monitorings von O2 und pH bei fortwährender Herbizidexposition, beobachtet werden.
Das Mikrokosmen Testsystem im Freiland beinhaltete diverse physiologisch unterschiedliche Makrophytenspezies (Mono- und Dikotyledonen, submerse, emerse und schwimmende Arten), ermöglichte aber auch die Bewertung einer sich im Mikrokosmos natürlich entwickelnden Algenflora. Drei unterschiedliche Herbizide, Simazin, Dimethachlor und Triasulfuron, wurden unter umweltrelevanten Konzentrationen getestet. Dabei zeigte sich, dass der Aufbau der Mikrokosmen für eine Bewertung der potentiellen Toxizität dieser Herbizide in aquatischen Systemen sehr gut geeignet war. Das vorgestellte experimentelle Programm kombinierte klassische Wachstumsparameter und physiologische Endpunkte, sodass die Menge an Informationen für eine adequate Bewertung adverser Effekte und zum Abschätzen des Erholungspotentials aquatischer Pflanzen in Mikrokosmen gleichermaßen geeignet war. Die o.g. Herbizide zeigten beim Vergleich mit der Kontrolle keine signifikanten Effekte bei der niedrigsten getesteten Konzentration für keinen der bewerteten Parameter nach 84 Tagen, sodass diese Konzentration als diejenige gilt, die keine beobachtbaren ökologisch adversen Effekte verursacht (0.08 mg/L für Simazin, 4.5 µg/L für Dimethachlor und 0.26 µg/L für Triasulfuron). Es konnte auch gezeigt werden, dass der Zeitpunkt für eine korrekte Einschätzung der Toxizität eine zentrale Rolle bei der Bewertung spielt und dass das Erholungspotential der unterschiedlichen Makrophyten stark schwanken kann. Vergleiche von Ergebnissen der unterschiedlichen trophischen Ebenen erhöhten den Informationsgehalt der im Freiland gewonnenen Ergebnisse und erlaubten daher eine bessere Einschätzung der potentiellen Herbizidtoxizität.
Die in der vorliegenden Arbeit verwendeten Makrophytenspezies wie auch die Labor- und Freilandtestsysteme sind für einen ökotoxikologischen Einsatz geeignet. Beide experimentellen Anordnungen haben ein großes Potential, um eine sichere Bewertung der Herbizideinflüsse auf Wasserpflanzen durchzuführen und standardisierte Testbedingungen für Experimente mit Makrophyten zu schaffen.


Kurzfassung in Englisch

The herbicide impact on aquatic plants is evaluated at present using the results from experiments with the monocotyledon Lemna sp. and algae. Uncertainties regarding an assessment of herbicide toxicity based only on these test systems exist, since for some herbicides, e.g. auxin herbicides that are more toxic to dicotyledons, toxicity might be underestimated. Lemna sp. is the only macrophyte where a standard protocol and a draft OECD guideline for a standardisation of testing conditions are available at the moment. Many other macrophytes have been proposed in this respect in the past, as well as appropriate protocols for ecotoxicological testing. The prime goal of the present thesis was to investigate the suitability of different macrophyte species in laboratory and field test systems for an ecotoxicological monitoring. It further aimed at evaluating the potential for extrapolation of the results obtained in the lab to field conditions. For this purpose a series of herbicides with distinct modes of action and physiologically different macrophyte species were selected and used in the lab and field experiments.
The laboratory test system, small flow-through test chambers called microbioreactors, were used to monitor physiological parameters of the macrophytes, i.e. oxygen and pH under herbicide impact. Fronds of Lemnaceae and leaves of Myriophyllum sp. were used for testing. The results indicated a high sensitivity of the macrophyte species against herbicides interferring in the photosynthetic system, like atrazine, simazine and diquat. Effects on the macrophytes recorded for such herbicides are in accordance with values found in previous laboratory and field studies reported in the literature and confirm the high potential of the laboratory test system, on the one hand as a tool allowing a fast biomonitoring of toxic compounds, and on the other hand as an alternative for extrapolating results from the lab to the field. In contrast, herbicides with modes of action that caused effects in the mid- to long-term range displayed lower sensitivities in the microbioreactor than those reported from previous experiments. The microbioreactors also proofed suitable for mechanistic evaluations of the mode of action of herbicides, as well as for observations of phenomena like recovery of metabolic activities after exposure to an inhibitor of photosynthesis like atrazine, and effects of adaptation to this herbicide. A reduction of the inhibitory effects while monitoring O2 and pH was observed during the phase of herbicide exposure.
The microcosm test system in the field contained various physiologically different macrophyte species (mono- and dicotyledons, submerged, emergent and floating), but also allowed for an evaluation of the naturally developing algal flora in the microcosms. The testing of three different herbicides, i.e. simazine, dimethachlor and triasulfuron, at environmentally relevant concentrations showed that the microcosm set up was well suited for an evaluation of the potential toxicity of these herbicides in aquatic systems. The experimental protocols choosen combined classic growth parameters and physiological endpoints, increasing the amount of information to adequately evaluate adverse effects and the potential for recovery of aquatic plants in microcosms. The above mentioned herbicides resulted in no significant effects at the lowest concentration tested when compared to the control for any of the evaluated parameters after 84 days, thus being the no-observable ecologically adverse effect concentrations (NOEAEC), i.e. 0.08 mg/L for simazine, 4.5 µg/L for dimethachlor and 0.26 µg/L for triasulfuron. It was further shown that the time point of evaluation plays a key role for a correct estimation of toxicity and potential recovery of the different macrophytes, which might vary greatly. Comparison of results at different trophic levels increased the amount of information obtained in field test systems and thus allowed for a better evaluation of the potential toxicity of herbicides.
The macrophyte species as well as the laboratory and field test systems used in the present thesis are suitable for ecotoxicological testing. Both experimental set ups display great potential for a proper evaluation of herbicide impact on aquatic plants and for a standardisation of testing conditions in tests with macrophytes.


SWD-Schlagwörter: Makrophyten , Biomonitoring , Toxizitätstest , Wasserpflanzen
Freie Schlagwörter (englisch): biomonitoring , herbicide , macrophytes , toxicity , aquatic plants
Institut: Institut für Biologie 2
Fakultät: Fakultät für Biologie
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Wagner, Edgar (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 04.05.2006
Erstellungsjahr: 2006
Publikationsdatum: 04.05.2006
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