Ecotoxicological assessment of anthropogenically produced common pollutants of aquatic ...

222 Pages·2011·2.18 MB·English

Ecotoxicological assessment of anthropogenically produced
common pollutants of aquatic environments

Ökotoxikologische Bewertung von anthropologisch
produzierten häufigen Schadstoffen in aquatischen
Ökosystemen

Der Naturwissenschaftlichen Fakultät
der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
zur
Erlangung des Doktorgrades Dr. rer. Nat.

vorgelegt von
Azizullah Azizullah
aus Swabi (Pakistan)
I
II
Als Dissertation genehmigt von der Naturwissenschaftlichen Fakultät der
Friedrich-Alexander –Universität Erlangen-Nürnberg

Tag der mündlichen Prüfung: 25.11.2011
Vorsitzender der
Promotionskommission: Prof. Dr. Rainer Fink
Erstberichterstatter: PD Dr. Michael Lebert
Zweitberichterstatter: Prof. Dr. Ralf Anken
III
IV
Dedicated to
my parents
V
VI
Acknowledgements
I would like to express my sincere and deep gratitude to Prof. Dr. Dr. h. c. Donat-Peter
Häder for giving me an opportunity to work under his supervision. His indispensable
guidance and valuable advice have provided a good basis for the present thesis.
My due thanks are for PD Dr. Michael Lebert for his kind support and guidance and for
facilitating me throughout this study. I would like to thank Dr. Peter Richter, who not only
guided me in the research work but was a dear friend. He supported and helped me
continuously from the initial to the final of this study. I am also thankful to Prof. Dr.
Benedikt Kost, head of Cell Biology division, for his kind help in official processes in the
submission of this thesis. I am thankful to Prof. Dr. Ralf Anken for being a reviewer of my
thesis.
I greatly acknowledge Kohat University of Science and Technology (KUST), Kohat and
Higher Education Commission (HEC), Pakistan for the financial support by granting me a
scholarship.
My sincere thanks go to Dr. Muhammad Jamil for his guidance and help in water
sampling and for the physicochemical analysis of samples. I am greatly indebted to Dr.
Martin Schmid for his valuable help in the analysis of water samples.
Martin Schuster, Ulrike Trenz and Jennifer Tebart are acknowledged for their skilful and
technical support. I cordially acknowledge my ex-colleague Dr. S. P. Singh for his
valuable suggestions. I am also thankful to all my colleagues at Chair of Cell Biology and
my ex-colleagues at Chair of Plant Ecophysiology for providing me a friendly
environment in the laboratory throughout the study period. My friends Dr. Muhammad
Nasir, Khwaja Basharat and Adeel Nasir provided a good company during my stay at
Erlangen. Thanks to all of them.
Last but not least, I am thankful to my parents and all family members for their
continuous encouragement and unreserved love throughout my study.
Azizullah
VII
VIII
ZUSAMMENFASSUNG
Etwa 3 % des Wassers auf der Erde liegt in Form von Süßwasser vor. Nur ein kleiner Anteil
dieses Wassers (0,01 %) ist für menschliche Nutzung verfügbar. Dieser Anteil steht unter starkem
Druck auf Grund unterschiedlicher menschlicher Aktivitäten, welche unter anderem zu
ernsthaften Problemen durch Wasserverschmutzung führen. Die Hauptursachen für
Wasserverschmutzung ist die rücksichtslose Einleitung industrieller, kommunaler und häuslicher
Abwässer, welche der Grund für erhöhte Konzentrationen verschiedener Schadstoffe im Wasser
sind. Andere Quellen für die Wasserverschmutzung sind die weit verbreitete Verwendung
verschiedenster Chemikalien in der Landwirtschaft sowie Haushaltschemikalien. Alle diese aus
unterschiedlichen Quellen stammenden Schadstoffe gelangen auf unterschiedliche Weise in
natürliche Gewässer, wodurch letztendlich die aquatische Flora und Fauna auf verschiedenen
Ebenen beeinträchtigt wird.
In dieser Studie wurden unterschiedliche gebräuchliche wassergefährdende Schadstoffe, wie
Dünger, Pestizide, Wasch- und Reinigungsmittel, sowie industrielle Abwässer auf ihre
toxikologischen Effekte gegenüber dem einzelligen Süßwasserflagellaten Euglena gracilis hin
untersucht. Wegen ihrer weiten Verbreitung in aquatischen Habitaten und ihrer hohe
Empfindlichkeit gegenüber Umweltschadstoffen werden Algen als geeignete Bioindikatoren für
ökotoxikologische Studien angesehen. Wegen ihrer Empfindlichkeit gegenüber einer Vielzahl
unterschiedlicher toxischer Substanzen, wie Schwermetallen und anderen biologisch aktiven
Komponenten konnte gezeigt werden, dass Euglena gracilis ein geeigneter Organismus für
ökotoxikologische Studien ist. In dieser Studie wurden verschiedene Parameter wie
Beweglichkeit, Schwimmgeschwindigkeit, gravitaktische Orientierung, Zellform,
photosynthetische Effizienz, photosynthetische Pigmente und die Zellvermehrung als Endpunkte
betrachtet, um ein möglichst breites Wirkungsspektrum einer Testsubstanz zu erhalten. Die
Toxizität einer Substanz kann sich in Abhängigkeit von der Expositionszeit verändern. Daher
wurden sowohl kurzfristige, als auch langfristige Effekte einer Testsubstanz bestimmt. Bei
kurzzeitigen Experimenten wurden bereits angewachsenen Zellkulturen einer Testsubstanz
ausgesetzt, wobei der Effekt auf verschiedene Parameter bei unterschiedlichen Expositionszeiten
(0 – 72 h) gemessen wurde. Bei Langzeitexpositionsexperimenten wurde die Substanz zum
Zeitpunkt des Animpfens der Zellkultur zum Wachstumsmedium zugegeben und der Effekt auf
verschiedene physiologische Parameter von Euglena gracilis nach 7 Tagen Wachstum bestimmt.
Die häufig verwendeten Düngemittel Harnstoff ((NH ) CO) und DAP (Diammoniumphosphat
2 2
(NH ) HPO ) wurden in diesem Projekt für Toxizitätstudien ausgewählt. Frühere Experimente
4 2 4
haben gezeigt, dass Harnstoff und DAP bei Konsumenten aquatischer Ökosysteme zu nachteiligen
IX
Effekten bei verschiedenen Parameter, wie der Überlebensrate, dem Wachstum, der Blutbildung,
der Futterverwertung und dem Sauerstoffverbrauch führen. Allerdings gibt es kaum Berichte über
toxische Effekte dieser Dünger auf Primärproduzenten aquatischer Ökosysteme. Dies ist die erste
detaillierte Untersuchung, in welcher direkte nachteilige Effekte auf den Flagellaten Euglena
gracilis untersucht wurden.
Bei Kurzzeitexperimenten wurden direkt nach Zugabe von DAP (0 h) die Beweglichkeit und
Bewegungsparameter von Euglena gracilis mit EC -Werten von 1,91, 3,46, 7,54, 5,486 und
50
6,896 g L-1 für Schwimmgeschwindigkeit, Beweglichkeit, r-Wert (ein Maß für das gravitaktische
Orientierungsvermögen), Anteil nach oben schwimmender Zellen beziehungsweise Zellform
bestimmt. Bei zunehmender Expositionszeit konnte nur noch bei den Parametern
Schwimmgeschwindigkeit und Beweglichkeit eine dosisabhängige Wirkungsabhängigkeit
festgestellt werden. Der EC -Wert für die Schwimmgeschwindigkeit fiel von 3,6 g L-1 (0 h) auf
50
1,295 g L-1 nach 72 h Exposition. Der EC -Wert für die Geschwindigkeit allerdings blieb nach
50
72 h (2,22 g L-1) etwa auf dem gleichen Wert wie nach 0 h. Der Wert für die Quantausbeute von
Photosystem II (Fv/Fm) wurde durch DAP mit EC -Werten von 13,43, 3,26, 1,55 und 1,65 g L-1
50
nach 0, 1, 24 beziehungsweise 72 h beeinträchtigt, was zeigt, dass der hemmende Effekt auf die
photosynthetische Quantenausbeute (Fv/Fm) durch DAP nach 24 h ein Maximum erreicht und
längere Inkubationen zu keiner weiteren Zunahme der Hemmung mehr führen. Der rETR und die
photosynthetische Effizienz (Yield) wurden deutlich durch DAP beeinträchtigt und der Effekt
wurde mit steigender Expositionszeit zunehmend ausgeprägter. Von den photosynthetischen
Pigmenten wurden in erster Line Chlorophyll a und der Gesamtcarotinoidgehalt sehr empfindlich
durch DAP-Konzentrationen von über 1 g L-1 nach 24 und 72 h beeinträchtigt. Chlorophyll b war
im Gegensatz dazu weniger sensitiv gegenüber DAP-Stress. Deutliche Verringerungen der
zellulären Chlorophyll b-Konzentrationen wurden erst nach 72 h-stündiger Inkubation mit DAP-
Konzentrationen von 25 g L-1 und mehr beobachtet. Bei allen drei verschiedenen
Inkubationszeitpunkten konnte bei steigender DAP-Konzentration ein deutlicher Abfall im
Verhältnis Chlorophyll a/b festgestellt werden.
Bei 0 h Expositionszeit beeinträchtigte Harnstoff alle Bewegungsparameter dosisabhängig mit
EC -Werten von 13,361, 14,973, 16,327, 16,517 und 18,514 g L-1 1 für
50
Schwimmgeschwindigkeit, Beweglichkeit, r-Wert, Anteil nach oben schwimmender Zellen
beziehungsweise Zellform. Bei zunehmender Expositionszeit hemmte Harnstoff, ähnlich wie
DAP nur noch die Parameter Schwimmgeschwindigkeit und Beweglichkeit in dosisabhängiger
Art und Weise. Allerdings war im Gegensatz zu DAP bei Harnstoff keine weitere Zunahme der
Hemmung bei steigender Expositionszeit zu verzeichnen, sondern eher eine Abnahme der
X