Obersichtsbeitr~ige Tradescantia als Bioindikator Obersichtsbeitr ige Mutagene Wirkungen von Luftverunreinigungen - Nachweis mit Tradescantia als pflanzlichem Bioindikator Anette Fomin, Lydia Prang, Christoph Hafner, Uwe Arndt Universit~it Hohenheim, Fachgebiet Pflanzen6kologie und Okotoxikologie, Institut 320, D-70593 Stuttgart Zusammenfassung Bei de~"Entwicklung von Bioindikatoren f/~r die Umweltbeobach- tung miissen heute auch solche Wirkungskriterien einbezogen wer- den, die mutagene Veriinderungen in Organismen anzeigen und da- rnit eine Absch/itzung des mutagenen Potentials yon Schadstoffen erlauben. Eine Aufgabe der dazu notwendigen Untersuchungen be- steht darin, verstiirkt Verfahren mit pflanzlichen Organismen zu entwickeln, die in ihrer Aussagekraft den bisher verwendeten Tier- versuchen m6gtichst nahe kommen und damit insbesondere for Aufgaben des praktischen Umweltschutzes einsetzbar sind. In der vorliegenden Arbeit wird ein hoch empfindlicher Tradescantia-Kton vorgestellt, der sich bereits im in situ Monitoring in den USA be- w/ihrt hat und nun auch in Deutschland mit dem Ziel eingefiihrt werden soil, ein routinemiil~ig gut handhabbares Bioindikationsver- fahren zur Verfi~gungzu haben. Das Wirkungskriterium bei diesem Indikator ist der Nachweis mutagener Veriinderungen fiber Klein- kernbildungen, wobei diese relativ leicht zu detektieren und zu quantifizieren sind. Eine Erh6hung der Kleinkernzahl yon belaste- ten Pflanzen im Vergleich zu unbelasteten ist auf schadstoffbedingte Chromosomenst6rungen zuriickzufi~hren. In eigenen Untersuchun- gen wird Tradescantia zur Zeit an Miillverbrennungsanlagen gete- stet. Die ersten Ergebnisse belegen, daf~ der Emissionsstrom in Ab- h~ingigkeit yon der Verdtinnungsstufe mutagene Effekte ausl6st und aus dieser Sicht der Bioindikator Tradescantia prinzipiell zum Nachweis mutagener Wirkungen yon Luftverunreinigungen geeig- net ist. SchlagwSrter: Bioindikator, Tradescantia; mutagene Wirkung; Klein- kerntest 1 Einfiihrung und Problemstellung Bioindikatoren zur wirkungsbezogenen Erfassung von Schadstoffen sind neben der Emissions- und Immissions- messung wichtige Informationssysteme fi~r den praktischen Umweltschutz. Als Monitororganismen werden sie zur qualitativen und quantitativen Uberwachung von Schad- stoffwirkungen in der Umwelt und dementsprechend zum Nachweis einer Immissionsbelastung verwendet [3, 37]. Reaktions- und Akkumulationsindikatoren liefern in Ab- hfingigkeit yon dem untersuchten Wirkungskriterium Er- kenntnisse iiber verschiedene biologische Ebenen. Bisher stehen uns eine Vielzahl an Wirkungskriterien fiir bioindi- kative Verfahren zur Verf%ung, die sich jedoch iiberwie- gend in die physiologisch-biochemische und morphologi- sche Ebene einordnen lassen [vgl. 3, 35]. So k6nnen damit zwar wichtige Aussagen i~ber Wirkungen von Schadstoffen z.B. auf den Regel- und Steuerungsmechanismus von Orga- nismen getroffen werden, jedoch bleibt im allgemeinen die genetische Ebene davon ausgeschlossen. Schadstoffbe- dingte Sch~idigungen des genetischen Materials sind aber in umfangreichen Laborexperimenten unter vorrangiger Ver- wendung von Mikroorganismen und tierischen Objekten nachgewiesen. So wird heute davon ausgegangen, daf~ viele Umweltchemikalien ein mutagenes und/oder cancerogenes Potential besitzen [14], dieses aber fi~r eine grof~e Anzahl yon Schadstoffen nur in Laboruntersuchungen ermittelt wurde und ein eindeutiger Beweis unter realen Umweltbe- dingungen oftmals noch fehlt. In diesem Zusammenhang fi~hrt der derzeitige Trend mit einer zunehmenden Verwen- dung yon Labortests, z.B. in der Krebsforschung [7, 36], dazu, daf~ bei diesen Versuchsans~itzen die Obertragbarkeit erhaltener Resultate auf die Situation im Freiland schwierig ist [1]. Aus humantoxikologischer Sicht ist aber gerade eine Friiherkennung yon mutagen und cancerogen wirkenden Belastungssituationen unter natiirlichen Umweltbedingun- gen sehr wertvoll. Bioindikative Verfahren k6nnen hierfiir informative Instrumtente sein, um Gef~ihrdungspotentiale von Schadstoffen in situ anzuzeigen. Die Oberftihrung von bereits bew~ihrten Labortests in das Freiland und ihre me- thodische Adaptation an mitteleurop~iische Bedingungen ist daher Gegenstand dieses Beitrages. Insbesondere wird hierbei, neben einer allgemeineren Vorstellung des yon MA und Mitarbeitern entwickelten Verfahrens, auf eine An- wendung von Tradescantia fiir Emissionen aus Miillver- brennungsanlagen direkt am Abgasstrom und fiir Immis- sionen in der Umgebung von Miillverbrennungsanlagen hingearbeitet. Die M6glichkeit der Nutzung pflanzlicher Bioindikatoren zum Nachweis mutagener Wirkungen von Luftschadstoffen im Sinne eines aktiven Monitorings wird in diesem Artikel zur Diskussion gestellt. 2 Monitoring mit pflanzlichen Bioindikatoren Als Monitororganismen fi~r Mutagene und Clastogene wurden bisher etwa 40 Testorganismen eingesetzt [16], wo- bei die Anzahl tierischer Tests welt tiberwiegt [24]. Ent- sprechend unserer Zielsetzung wird in den nachfolgenden Ausfhhrungen nicht auf mikrobielle und tierische Verfah- UWSF - Z. Umweltchem. Okotox. 7 (5) 293-298 (1995) O ecomed verla~:sgesellschaftAG & Co.KG Landsberg 293
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Obersichtsbeitr~ige Tradescantia als Bioindikator
Obersichtsbeitr ige
Mutagene Wirkungen von Luftverunreinigungen
- Nachweis mit Tradescantia als pflanzlichem Bioindikator
Anette Fomin, Lydia Prang, Christoph Hafner, Uwe Arndt
Universit~it Hohenheim, Fachgebiet Pflanzen6kologie und Okotoxikologie, Institut 320, D-70593 Stuttgart
Zusammenfassung Bei de~" Entwicklung von Bioindikatoren f/~r die Umweltbeobach- tung miissen heute auch solche Wirkungskriterien einbezogen wer- den, die mutagene Veriinderungen in Organismen anzeigen und da- rnit eine Absch/itzung des mutagenen Potentials yon Schadstoffen erlauben. Eine Aufgabe der dazu notwendigen Untersuchungen be- steht darin, verstiirkt Verfahren mit pflanzlichen Organismen zu entwickeln, die in ihrer Aussagekraft den bisher verwendeten Tier- versuchen m6gtichst nahe kommen und damit insbesondere for Aufgaben des praktischen Umweltschutzes einsetzbar sind. In der vorliegenden Arbeit wird ein hoch empfindlicher Tradescantia-Kton vorgestellt, der sich bereits im in situ Monitoring in den USA be- w/ihrt hat und nun auch in Deutschland mit dem Ziel eingefiihrt werden soil, ein routinemiil~ig gut handhabbares Bioindikationsver- fahren zur Verfi~gung zu haben. Das Wirkungskriterium bei diesem Indikator ist der Nachweis mutagener Veriinderungen fiber Klein- kernbildungen, wobei diese relativ leicht zu detektieren und zu quantifizieren sind. Eine Erh6hung der Kleinkernzahl yon belaste- ten Pflanzen im Vergleich zu unbelasteten ist auf schadstoffbedingte Chromosomenst6rungen zuriickzufi~hren. In eigenen Untersuchun- gen wird Tradescantia zur Zeit an Miillverbrennungsanlagen gete- stet. Die ersten Ergebnisse belegen, daf~ der Emissionsstrom in Ab- h~ingigkeit yon der Verdtinnungsstufe mutagene Effekte ausl6st und aus dieser Sicht der Bioindikator Tradescantia prinzipiell zum Nachweis mutagener Wirkungen yon Luftverunreinigungen geeig- net ist.
Bioindikatoren zur wirkungsbezogenen Erfassung von Schadstoffen sind neben der Emissions- und Immissions- messung wichtige Informationssysteme fi~r den praktischen Umweltschutz. Als Moni to rorgan i smen werden sie zur qualitativen und quantitativen Uberwachung von Schad- stoffwirkungen in der Umwelt und dementsprechend zum Nachweis einer Immissionsbelastung verwendet [3, 37]. Reaktions- und Akkumulationsindikatoren liefern in Ab- hfingigkeit yon dem untersuchten Wirkungskriterium Er- kenntnisse iiber verschiedene biologische Ebenen. Bisher stehen uns eine Vielzahl an Wirkungskriterien fiir bioindi- kative Verfahren zur Verf%ung, die sich jedoch iiberwie- gend in die physiologisch-biochemische und morphologi- sche Ebene einordnen lassen [vgl. 3, 35]. So k6nnen damit
zwar wichtige Aussagen i~ber Wirkungen von Schadstoffen z.B. auf den Regel- und Steuerungsmechanismus von Orga- nismen getroffen werden, jedoch bleibt im allgemeinen die genetische Ebene davon ausgeschlossen. Schadstoffbe- dingte Sch~idigungen des genetischen Materials sind aber in umfangreichen Laborexperimenten unter vorrangiger Ver- wendung von Mikroorganismen und tierischen Objekten nachgewiesen. So wird heute davon ausgegangen, daf~ viele Umweltchemikalien ein mutagenes und/oder cancerogenes Potential besitzen [14], dieses aber fi~r eine grof~e Anzahl yon Schadstoffen nur in Laboruntersuchungen ermittelt wurde und ein eindeutiger Beweis unter realen Umweltbe- dingungen oftmals noch fehlt. In diesem Zusammenhang fi~hrt der derzeitige Trend mit einer zunehmenden Verwen- dung yon Labortests, z.B. in der Krebsforschung [7, 36], dazu, daf~ bei diesen Versuchsans~itzen die Obertragbarkeit erhaltener Resultate auf die Situation im Freiland schwierig ist [1]. Aus humantoxikologischer Sicht ist aber gerade eine Friiherkennung yon mutagen und cancerogen wirkenden Belastungssituationen unter natiirlichen Umweltbedingun- gen sehr wertvoll. Bioindikative Verfahren k6nnen hierfiir informative Instrumtente sein, um Gef~ihrdungspotentiale von Schadstoffen in s i tu anzuzeigen. Die Oberftihrung von bereits bew~ihrten Labortests in das Freiland und ihre me- thodische Adaptat ion an mitteleurop~iische Bedingungen ist daher Gegenstand dieses Beitrages. Insbesondere wird hierbei, neben einer allgemeineren Vorstellung des yon MA und Mitarbeitern entwickelten Verfahrens, auf eine An- wendung von Tradescan t i a fiir Emissionen aus Miillver- brennungsanlagen direkt am Abgasstrom und fiir Immis- sionen in der Umgebung von Miil lverbrennungsanlagen hingearbeitet. Die M6glichkeit der Nutzung pflanzlicher Bioindikatoren zum Nachweis mutagener Wirkungen von Luftschadstoffen im Sinne eines aktiven Monitorings wird in diesem Artikel zur Diskussion gestellt.
2 Monitoring mit pflanzlichen Bioindikatoren
Als Moni tororgan ismen fi~r Mutagene und Clastogene wurden bisher etwa 40 Testorganismen eingesetzt [16], wo- bei die Anzahl tierischer Tests welt tiberwiegt [24]. Ent- sprechend unserer Zielsetzung wird in den nachfolgenden Ausfhhrungen nicht auf mikrobielle und tierische Verfah-
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Tradescantia als Bioindikator Obersichtsbeitr~ige
ren eingegangen, sondern, am Beispiel von Tradescantia, ausschlielglich auf die Etablierung und Anwendung von Verfahren mit pflanzlichen Organismen ftir unser europ/i- isches Gebiet.
Die Entwicklung, die Erprobung und der Einsatz von pflanzlichen Organismen im in situ Monitoring zur Erfas- sung erbgutsch/idigender Wirkungen von Schadstoffen ist der Literatur zufolge bisher fast ausschlief~lich in den USA erfolgt. Die Tabelle 1 enth/ilt eine Auswahl bisher einge- setzter pflanzlicher Mutagenit/itstests.
Tabelle 1: Obersicht tiber pflanzliche Organismen, die als Bioindikato- ren verwendet wurden
Organismus Wirkungskriterium Literatur (Beispiel)
Plarymonas subcordiformis MCN 8 Vicia faba SCE, CA 10, 19 Arabidopsis thaliana FC 31, 32 Allium cepa SCE, CA 9 Zea mays MCN 5 Hordeum vulgare CA 4 Tradescantia spec. MCN, SCE, CA 10, 18, 25, 29
SHM 38
MCN = Micronucleus; SCE = Sister-Chromatid-Exchange; CA = Chro- matidabberation; SHM = Stamen-Hair-Mutation; FC = Fruit-Color Mutation
Pflanzliche Systeme reagieren sehr empfindlich auf Muta- gene und Clastogene [16]. Sowohl in somatischen Zellen als auch in Keimzellen werden Chromosomenbrtiche her- vorgerufen und dadurch Mutationen ausgel6st, die metho- disch erfafgbar und nachweisbar sind. Am bekanntesten sind der Wurzelspitzen-Chromosomenst6rungs-Test bei Al- lium, Tradescantia und Vicia (CA), der Micronucleus-Test bei Zea (MCN) sowie der Micronucleus-Test bei Pollen- mutterzellen von Tradescantia (MCN). Der Nachweis von Schwestern-Chromatid-Austausch-Mutationen (SCE) ist fi~r Allium-, Tradescantia- und Vicia-Wurzelspitzenzellen methodisch erarbeitet und als Verfahren entwickelt wor- den. Der Farb-Mutations-Test bei Zea, der Tradescantia Staubhaar-Mutations-Test (SHM) und der Arabidopsis ,,fruit color" Test (FC) sind Verfahren zum Nachweis von Mutationen, die sich ph/inotypisch/iut~ern und quantifizie- ren lassen (Literatur siehe Tabelle 1).
2.1 Der Tradescantia-Kleinkerntest (Trad-MCN)
Unsere Forschungsarbeit konzentrierte sich zun/ichst auf die Etablierung und Erprobung des Tradescantia-Klein-
1 . �9 �9 kerntests, der yon MA und Mxtarbmtern Mltte der 70er Jahre als Biotest entwickelt wurde [15]. Die st/indige Ober- arbeitung dieses Tests macht seinen Einsatz auch im Frei- land m6glich. Eine direkte Anwendung dieses Verfahrens fiir Wasser- und Luftverschmutzungen erfolgte bereits in verschiedenen Orten der USA, Kanadas, Chinas und Mexi- kos [24].
1. Pflanzenmaterial Tradescantia, die Spinnwurz, geh6rt zur Familie der Com- melinaceen. Die Bltiten sind dreiz/ihlig, lassen deutlich
Kelch und Krone erkennen und stehen in Wickeln (-+ Abb. 1). Ftir eine Verwendung als Bioindikator eignet sich be- sonders der Klon 4430, ein steriler Hybrid zwischen Tra- descantia hirsutiflora und Tradescantia subcaulis [18]. Die Sterilit/it der Pflanzen gew/ihrleistet genetisch einheitliches Material, da eine generative Vermehrung und damit die Gefahr einer genetischen Vermischung w/ihrend einer Frei- landexposition ausgeschlossen wird.
Fiir ein in situ Monitoring wird eine grof~e Anzahl an Pflanzen ben6tigt, so daf~ der Vermehrung besondere Auf- merksamkeit geschenkt werden mug. Die Kultivierung und Haltung dieser Pflanzen ist relativ einfach, erfordert jedoch einigen Zeitaufwand 2. Optimale Wachstumsbedingungen sind bei einer relativen Luftfeuchte von 60 bis 80 % und ei- ner durchschnittlichen Temperatur von 21-25 ~ am Tag sowie 16 ~ in der Nacht gegeben. Zur st/indigen Knos- penbildung ben6tigt Tradescantia eine 16/8 h Licht/Dunkel Photoperiode. Aus diesem Grund ist w/ihrend der Kurz- tagssaison zus~itzlich ktinstliche Beleuchtung erforderlich. Um den erheblichen Giegaufwand so gering wie m6glich zu halten, werden in den Sommermonaten Glasfaserdochte verwendet [3]. ~-ltere Bltitenst/inde sollten regelm/iflig alle 2 Wochen ausgeschnitten werden, damit sich die Pflanze schneller regenerieren kann. Die Zugabe eines Dtingers (COMPO Fliissigblumendtinger mit Guano) erwies sich als wachstumsf6rdernd, wobei keine erh6hte Kleinkernzahl nach D~ingergabe festgestellt wurde [30]. Die Anzucht yon
�9 . 3 Tradescantia in unserem Tropengewachshaus erm6glicht eine Vermehrung tiber die Wintermonate, so datg zu Beginn der w/irmeren Jahreszeit gentigend Material ftir bioindika- tive Arbeiten zur Verfiigung steht. Da nur bestimmte Knos- pengr6t~en geerntet werden und ftir den Kleinkerntest zur Auswertung gelangen, ist es ftir ein kontinuierliches Moni- toring vorteilhaft, wenn nicht alle Pflanzen den gleichen Entwicklungsstand aufweisen, sondern alternierend immer etwa 50 Pflanzen den Testnormen entsprechen, w/ihrend sich die anderen regenerieren oder ftir eine Vermehrung ge- teilt werden.
2. Testdurchftihrung Der MCN-Test bei Tradescantia beruht auf einer Keimzel- lenmutation, bei der es durch die Einwirkung mutagener Schadstoffe zur Bildung von Kleinkernen in Pollenmutter- zellen kommt (--~ Abb. 2). Die Zielzellen der frtihen Pro- phase 1 reagieren auf w/if~rige und gasf6rmige Agenzien sehr empfindlich mit Chromosomenbriichen [25]. Weil je- doch die Chromosomen der Pollenmutterzellen bei der Fi- xierung nicht eindeutig angef/irbt werden k6nnen, um die typischen Chromosomen- oder Chromatidenst6rungen zu
2 , 3
Von MA aus der Western Illinois University erhielten wir dankens- werterweise/.iber KNASMOLLER aus dem Institut fiir Krebsforschung in Wien Exemplare eines Tradescantia-Hybrids, der besonders ftir die Bioindikation geeignet ist. KNASMULLER hat uns auch in die Me- thode des Kleinkerntests eingeffihrt, so daf~ wir nach den standardi- sierten Richtlinien yon MA [26] arbeiten k6nnen. An dieser Stelle danken wir unserer LTA Frau Monika ALANI ftir die sorgfiiltige und fachgerechte Betreuung der Tradescantia-Kultur und der Neckarwerke-Elektrizit~itsversorgungs-AG ftir die Bereitstellung eines Tro pengew~.chsha uses.
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Obersichtsbeitr~ige Tradescantia als Bioindikator
Abb. 2: Unbeeinflutgte Tetraden (rechts oben und in der Mitte) und eine Tetrade mit 4 Kleinkernen (links unten) yon Tradescantia
Abb. 1: Bliitenstand von Tradescantia
zeigen, sind sie nicht als Indikator ftir genetische Sch~iden geeignet [26]. Quantitative Daten, die bioindikativ aus- wertbar sind, werden erhalten, wenn man als Wirkungskri- terium die Kleinkernbildung im Tetradenstadium verwen- det. Kleinkerne (MCN) entstehen als Folge von Chromoso- menbriichen, sogenannten Clastogenesen, oder durch Un- regelm~it~igkeiten bei den Zellteilungen. Die gebildeten Kleinkerne weisen einen Durchmesser von 0.5 bis 3.0 lam auf, liegen aulgerhalb des Zellkerns im Cytoplasma und sind im friihen Tetradenstadium lichtmikroskopisch gut er- kenn- und auswertbar (--~ Abb. 2). Die besondere Eignung des Tradescantia-Kleinkerntests als bioindikatives Verfah- ren ist auf die hohe Empfindlichkeit der Chromosomen in der friihen Prophase 1 und die hohe Synchroniestufe des Tetradenstadiums zurtickzufiihren [18]. Somit k6nnen Schadstoffbehandlungen auf eine grolge Population von sensitiven Zellen des gleichen meiotischen Stadiums ange- wendet und die Chromosomenbrtiche oder Aufteilungsfeh- ler als Kleinkerne in synchronisierten Tetraden beobachtet werden.
Die praktische Durchfiihrung, bei MA [26] nachlesbar, ver- l~iuft wie folgt: Ganzpflanzen in T6pfen oder abgeschnit- tene junge Infloreszenzen mit Bl~ittern k6nnen zeitabh/ingig in Kammern begast oder in einer w~igrigen L6sung behan- delt werden. Die gasf6rmigen Schadstoffe gelangen tiber die Knospen in die Antheren. W/if~rige Agenzien k6nnen in die Pollenmutterzellen tiber Sprof~, Bliitenstiel und Achse des Schnittlings eindringen. Der Schadstoffbehandlung folgt eine Erholungsphase von 6 bis 30 Stunden, w~ihrend der alle gesch~idigten Chromosomen der friihen Prophase 1 das Tetradenstadium erreichen. Die l~ingeren Erholungszei- ten sind insbesondere dann notwendig, wenn es zu Tei- lungsverz6gerungen kommt. Nach einer Fixierung der In- floreszenzen in einem Eisessig-Ethanol-Gemisch erfolgt aus den Staubs/ickchen die Pr/iparation der Tetraden auf Ob-
jekttrfigern. Die Prfiparate werden mit Acetocarmin ange- f~irbt und die Kleinkernzahl in etwa 300 Tetraden pro Prfiparat ausgezfihlt. Bei einer durchschnittlichen Anzahl yon 15 Infloreszenzen pro Versuchsvariante erh~ilt man die Kleinkernfrequenz in ca. 4500 Tetraden; diese Testdurch- ftihrung erlaubt gesicherte Resultate, um die Gr6f~e der Chromosomensch~iden und damit das Mutationspotential einer Belastung oder mehrerer Belastungsfaktoren deutlich zu machen.
Erw~ihnt werden sollten jedoch auch die Schw~ichen dieses Tests. Die hohe Empfindlichkeit der meiotischen Chromo- somen auf Schadstoffeinwirkungen kann bei einer Uberdo- sis zu Deformationen der Tetraden fiihren und somit eine Auswertung verkomplizieren und sogar unm6glich machen [18]. Aul~erdem k6nnen zu hohe und zu niedrige Tempera- turen spontane Mutationen ausl6sen, die die eigentliche Schadstoffwirkung tiberlagern und damit eine direkte Kor- relation erschweren [11]. Desweiteren ist zu beriicksichti- gen, dat~ die Ausz~hlung der Kleinkerne einen nicht uner- heblichen Zeit- und Personalaufwand erfordert.
Prinzipiell ist eine l[lbertragbarkeit von Ergebnissen aus dem Tradescantia-Kleinkerntest und des sich daraus ablei- tenden Mutagenit~tspotentials des untersuchten Schadstof- fes auf Sfiugetierzellen nicht ohne weiteres m6glich. Hierbei ist auch zu beriicksichtigen, daf~ im Vergleich zu S~iuger- tests pflanzliche Organismen unempfindlicher auf Promu- tagene reagieren und daher nur ftir den Nachweis be- stimmter Schadstoffe oder Schadstoffgruppen in Fragen kommen. Jedoch k6nnen sich durch diesen relativ einfa- chen Test, erste Hinweise auf verst~irkte Mutationsraten bei Luft- bzw. Wasserverunreinigungen ergeben und weiter- ftihrende Untersuchungen, unter Einbeziehung verschiede- ner Testsysteme, vorgenommen werden.
2.2 Anwendungsgebiete Der Tradescantia-Kleinkerntest wurde bereits fiir sehr viel- f/iltige Fragestellungen eingesetzt, wobei bisher sowohl Ein- zelsubstanzpriifungen [z.B. 13, 21, 27] als auch der Einsatz im aktiven Monitoring [z.B. 20, 22, 28] publiziert worden
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Tradescantia als Bioindikator Obersichtsbeitr~ige
sind. Nachfolgend sind in der Tabelle 2 einige Untersu- chungen aufgefiihrt, wo Tradescantia in situ exponiert wurde. Eine Erh6hung der Kleinkernzah| im Vergleich zur Kontrolle ist als positive (+) Reaktion gekennzeichnet.
Tabelle 2: ,,Indoor-Monitoring" mit Tradescantia [nach 24]
Neben dieser Innenraum-Oberwachung [17] wurde der Kleinkerntest bei Untersuchungen von Industrieabw~issern [33] und Sickerwfissern aus Miilldeponien [23] angewen- det. Die Exposition von Tradescantia in verschiedenen In- dustriegebieten der USA ergab Korrelationen mit der dort vorhandenen Luftsituation [24]. Insgesamt kann anhand dieser Literaturquellen eingesch~itzt werden, daft sich das bioindikative Verfahren mit Tradescantia fi~r ein in situ Monitoring bew~ihrt hat und nun fiir die in unserem Insti- tut anstehenden Probleme zum Einsatz gelangen soil.
3 Eigene Unte rsuchungen an Mii l lverbrennungs- anlagen
Im Rahmen unseres Forschungsprojektes ,,Bioindikations- verfahren zur 6kotoxikologischen Uberwachung yon orga- nischen Luftschadstoffen" [2] besteht eine Kooperation mit dem Laboratorium fiir Isotopentechnik im Kernfor- schungszentrum Karlsruhe, wo die Versuchsmi~llverbren- nungsanlage TAMARA (Test-Anlage zur Miillverbren- nung, Abgasreinigung, R/~ckstandsverwertung, Abwasser-
behandlung) betrieben wird. Mit dem dort entstehenden Rauchgas wird von uns eine Begasungsanlage fi~r Ver- suchspflanzen versorgt, die sich auf dem Dach des Kessel- hauses befindet und aus 4 Begasungskammern in Form von Kleingew~ichsh~iusern mit jeweils ca. 8,6 m 3 Rauminhalt besteht. Die Kammern werden mit Luft, die /iber Aktiv- kohlefiher gereinigt wird, beli~ftet, wobei der Luftwechsel ca. 58 mal in der Stunde erfolgt. In diesen Luftstrom wird Rauchgas aus dem Kamin der TAMARA iiber Gasdurch- fluf~messer zudosiert. In den nachfolgend beschriebenen Experimenten wurde das Rauchgas im Volumenverh~ihnis 1 : 500 (Kammer 1) und 1 : 1000 (Kammer 2) mit Reinluft verdiinnt. Die Kammern 3 und 4 werden nur mit Reinluft versorgt und dienen als Kontrollkammern. Ziel dieser Be- gasungsversuche ist die Entwicklung von Bioindikatoren f/ir den Emissionstyp ,,Mi~llverbrennung". In der Tabelle 3 sind die ersten Ergebnisse aus drei Begasungskampagnen an der TAMARA dargestellt. Dabei zeigte sich im Vergleich zu den Kontrollwerten bei den begasten Versuchspflanzen eine deutlich erh6hte Kleinkernzahl, die auch zeitabh~ingige Unterschiede aufwies [30]. Die ersten Ergebnisse belegen, daf~ Tradescantia auf Emissionen aus Miillverbrennungsan- lagen mit genotoxischen Ver/inderungen reagiert und damit fiir bioindikative Aufgaben speziell auf diesem Gebiet ge- eignet ist.
Ein weiteres Arbeitsfeld umfaf~t Freilanduntersuchungen, die zun~ichst in der n~iheren Umgebung einer Hausmiillver- brennungsanlage durchgef/ahrt wurden. Die Tabelle 4 zeigt die Ergebnisse der Exposition an drei Standorten. Der bei der Anlage 6stlich in Hauptwindrichtung (Lee) am n~ich- sten liegenden Expositionsstandort in 0,8 km Entfernung zeigt die h6chste Kleinkernbildung. Die beiden weiter ent- fernten Standorte wiesen bei unterschiedlicher Expositions- richtung fast gleiche, jedoch deutlich geringere Kleinkern- zahlen auf. Ein echter Kontrollstandort mit Reintuftbedin- gungen war bei diesem Experiment nicht vorgesehen, da zun~ichst einmal in einer relativ einfachen Untersuchung festgestellt werden solhe, ob prinzipiell Unterschiede der
Tabelle 3: Anzahl der Kleinkerne nach Exposition von Tradescantia im Abgas einer Miillverbrennungsanlage
Begasung Karlsruhe: TAMARA (16. September 1992)
Konzentration Expositionszeit Erholungszeit Anzahl Tetraden MCN/100 Tetraden s Sig. 5 %*
1 : 1000 8 h 24 h 1800 2,87 1,10 + 1 : 1000 24 h 6 h 2100 7,07 1,88 + Kontrolle 24 h 6 h 2400 1,13 0,51
Begasung Karlsruhe: TAMARA (25. September 1992)
Konzentration Expositionszeit Erholungszeit Anzahl Tetraden MCN/100 Tetraden s Sig. 5 %*
1 : 500 8 h 24 h 2100 11,1 2,99 + 1 : 1000 8 h 24 h 1800 6,97 3,74 + Kontrolle 8 h 24 h 2100 1,99 0,91
Begasung Karlsruhe: TAMARA (22. Oktober 1992)
Konzentration Expositionszeit Erholungszeit Anzahl Tetraden MCN/IO0 Tetraden s Sig. 5 %*
1 : 500 8 h 24 h 2100 9,00 2,50 + 1 : 1000 8 h 24 h 1500 7,48 2,66 + Kontrolle 8 h 24 h 1500 3,78 1,69
* Dunnett t-Test
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0bersichtsbeitr~ige Tradescantia als Bioindikator
Tabelle 4: Freilandexposition von Tradescantia an drei Standorten in der Umgebung einer MiJllverbrennungsanlage
Expositionsort Expositionszeit Erholungszeit Anzahl Tetraden MCN/100 Tetraden s
0 0,8 krn 24 h 6 h 2100 10,03 2,81 S/O 2,0 krn 24 h 6 h 2400 3,99 1,45 S/W 2,5 km 24 h 6 h 2100 2,71 0,73
Kleinkernzahl in den Luv- und Leeseiten der Mhllverbren- nungsanlage auftreten. Der Nachweis dieser Unterschiede konnte erbracht werden. Im Vergleich mit Kontrollwerten von Gew~ichshauspflanzen, die bei ca. 0,5 MCN/100 Tet- raden liegen, zeigten sich an allen drei Standorten deutliche Erh6hungen der Kleinkernzahlen. Diese Voruntersuchun- gen sind vielversprechende Ans~itze, die in den folgenden Vegetationsperioden mit h6herem Stichprobenumfang und weiteren Varianten verifiziert werden sollen.
4 Schluflbemerkungen
Ein Wandel in der Art der Luftverunreinigungen in indu- striell genutzten Gebieten macht eine stfindige Suche nach neuen Bioindikationsverfahren ffir die Luftreinhaltung zwingend. So werden verst~irkt Bioindikatoren fiir organi- sche Schadstoffe gefordert, da diese in nicht unerheblichen Mengen emittiert werden und gesundheitssch~idlich sind. Erh6hte Krebsraten bei Menschen werden mit organischen Stoffen in Verbindung gebracht [6], so daf~ einer Friiher- kennung yon mutagenen Belastungssituationen eine grof~e Bedeutung zukommt. Bioindikatoren k6nnen hierfiir wich- tige Informationen liefern. Die Verwendung von pflanzli- chen Organismen zum Nachweis mutagener Wirkungen von Schadstoffen kann dabei zwar bisherige tierische Ver- fahren nicht ersetzen [34], doch sollen und k6nnen derar- tige Verfahren mit Pflanzen im routinem~it~igen Einsatz er- ste Hinweise fiir rnutagene Schadstoffe liefern [1, 12]. Eine weitere f3berpriifung der erhaltenen Daten ist danach sinn- voll, da eine lJbertragung der Ergebnisse von Pflanzenex- positionen auf S~iugetierzellen, trotz gleicher Wirkungskri- terien wie z.B. Kleinkernzahl, nicht ohne weiteres m6glich ist.
Zusammenfassend kann gesagt werden, daf~ der Nachweis mutagener Wirkungen yon Schadstoffen durch pflanzliche Monitororganismen ein in Deutschland sich erst in der Ent- wicklungsphase befindliches Arbeitsgebiet ist. Erste in situ Untersuchungen mit Tradescantia weisen aber sehr vielver- sprechende Resultate auf, wobei allerdings auch Schwierig- keiten bei der Verfahrensdurchfiihrung erkennbar wurden, die es in weiterer Entwicklungsarbeit einzuschr~nken gilt.
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PCB- und PAK-Belastung von BGden in industriefernen Regionen Bayerns
Zusammenfassung Zur Interpretation und Beurteilung yon Bodenuntersuchungen ist die Kennmis der aktuellen Bodenbelastung als Vergleichsgrundlage norwendig. Entsprechende Untersuchungen hinsichtlich der Gehalte polychlorierter Biphenyle (PCBs) und potyaromatischer Kohlenwas- serstoffe (PAKs) in industriefernen - d.h. lgndlichen - R~iumen Bay- erns werden, nach Standormutzung differenziert (Acker, Griinland), vorgestellt.
Uber 80 % der untersuchten Acker- und GriinlandoberbGden un- terschreiten die in der Literatur angegebenen Hintergrundbela- stungswerte fiir PCBs und PAKs. An wenigen Standorten werden, vermutlich durch punktuelle Zusatzeintr/ige, diese Werte zum Tell deutlich iiberschritten.
Eine eindeutige Differenzierung der PCB- und PAK-Gehalte nach Ackero und Griinlandnutzung 1/ifgt sich an Hand dieser ersten - des- kriptiven Datenanalyse - nicht ableiten.
Schlagw6rter: PCB-, PAK-Bodenbelastung; Bodenzustandserfas- sung; industrieferne Regionen; landwirtschaftli- che Nutzung
1 E i n l e i t u n g u n d P r o b l e m s t e l l u n g
Die In te rpre ta t ion und Beurtei lung von Bodenun te r suchun- gen au f k o m m u n a l e r Ebene (z.B. im R a h m e n von Umwel t - vertr~igl ichkeitspri ifungen) erforder t als Vergle ichsgrund- lage die Kenn tn i s aktuel |er Bodenbelas tungen . Eine Inven- tu r organischer und anorganischer Problemstoffe in BGden ist daher unumg~inglich. Aufg rund ihres Gef~ihrdungspo- tentials , ihres komplexen - zum Teil noch wenig b e k a n n t e n - Umwel tverha l tens sowie der Vielzahl yon Verb indungen gilt dies in besonderem Mat~e fihr organische Schadstoffe in BGden, die erst in jtingster Zei t in den M i t t e l punk t des 6f- fen t l ichen Interesses geri ickt s ind (vgl. JONECK & PRIME 1991; M U R L 1991; MULLER et al. 1992; LOLF 1992).
Im Auf t rag und mit Mi t te ln des Bayerischen Staatsministe- r iums fiir L a n d e s e n t w i c k l u n g u n d U m w e l t f r a g e n w u r d e yon 1 9 8 7 - 1 9 9 1 ein P rogramm zur Erfassung organischer Schadstoffe in BGden (Unte rsuchungsumfang: 355 Stand- orte; 433 Bodenproben) durchgef/ ihrt . Ziel dieser Unter-
298 UWSF - Z. Umweltchem. Okotox. 7 (5) 298-301 (1995) �9 ecomed verlagsgesellschaft AG & Co.KG Landsberg
