Methode

Wie in Kap. 1.2.3 (s. S. 14) dargestellt wurde, existieren verschiedene Untersuchungen über aquatische und terrestrische Algen als Biotestorganismen. Nur ein geringerer Teil dieser Untersuchungen beschäftigt sich mit der Eignung und Nutzung von Bodenalgen als Biotestorganismen, und nur sehr wenige Arbeiten haben den Versuch unternommen, Biotests mit Bodenalgen und einem Boden oder einer bodenähnlichen Matrix zu entwickeln. In diesen Arbeiten wurden verschiedene Wege erprobt, bodenähnliche Substrate in einen Biotest zu integrieren. Es wurden immer wieder die Schwierigkeiten der Messung des Algenwachstums im Boden oder der bodenähnlichen Matrix diskutiert.

Jansen et al. (1958) entwickelten einen Biotest, bei dem der Boden durch Perlite als Wachstumssubstrat nachgeahmt wurde. Da Perlite nicht mit einem natürlichen Boden verglichen werden kann, sollte dieser Test nicht als ein Bodenbiotest angesehen werden.

Ebenso kann die Methode von Wright (1975) auch nicht als Bodenbiotest bezeichnet werden, da hier das Algenwachstum auf Agarpetrischalen ohne Beteiligung eines Bodens als Wachstumssubstrat stattfindet. Dann gab es Versuchsansätze über die Trennung von Algen und Boden über einen Cellulosebehälter, in dem sich der Boden befand (Aktins & Tchan 1967, Lefebvre-Drouet & Calvet 1983). In diesem Fall waren die Algen letztlich wieder in einem Flüssigmedium, und ein natürliches Wachstum der Algen im Boden war nicht möglich.

In einer weiteren Untersuchung wurde das Algenwachstum mit Hilfe eines beimpften Filterpapiers, das auf den Boden aufgelegt wurde, beobachtet (Pillay & Tchan 1972). Auch bei dieser Methode ist ein natürlicher Kontakt zwischen Bodenalgen und Boden nicht gewährleistet. Ebenso ergab sich bei der Methode von Pipe und Cullimore (1980) die Schwierigkeit, daß die in den Boden eingeführten Objektträger nicht immer einen gleichmäßigen Kontakt zum Boden hatten und die mikroskopische Auswertung zeitaufwendig war und bei größeren Aggregaten von Zellhaufen ungenau.

Bei weiteren Arbeiten, in denen die Algen direkt im Boden wuchsen und Aussagen über die Algendichte pro g TS Boden getroffen werden sollten, wurden folgende Wege beschritten. Es wurde die Algendichte über den Chlorophyllgehalt des Bodens ermittelt (Ria & Mallick 1993, Hammel et al. 1998) oder die Agarplattenmethode gewählt, also die Aufbringung einer verdünnten Erdsuspension auf Agarplatten und Auszählung der Koloniedichte (Musset 1994, Sauthoff & Oesterreicher 1994, Neuhaus et al. 1997). Letztere Methode hat den Nachteil, daß eine Auswertung der Ergebnisse erst nach ca. drei Wochen möglich ist. Bei der Bestimmung des Chlorophyllgehaltes muß ein hohes Algenwachstum im Boden vorliegen, damit eine

photometrische Messung überhaupt möglich ist. Dies war im Boden-Biotest der vorliegenden Arbeit nicht innerhalb von 96 h zu erreichen. Die drei getesteten Bodenalgen verdreifachten ihre Zellzahl, und Scenedesmus subspicatus vervierfachte sie innerhalb der 96 h. Hammel et al. (1998) werteten erst nach 14 Tagen Kulturdauer ihren Biotest per Chlorophyllbestimmung aus und erreichten dadurch höhere Vermehrungsraten. Drew und Anderson (1977) beschritten den Weg der Bestimmung der Algendichte mit Hilfe eines Fluoreszenzmikroskopes und einer Zellzählkammer, indem sie die Erde verdünnten und somit die Algendichte mikroskopisch bestimmbar wurde. Allerdings wurden nur die Gesamtalgendichten bestimmt. Eine sichere Bestimmung von verschiedenen Arten anhand einzelner Zellen in einer Erdsuspension ist grundsätzlich nicht durchführbar (Ettl & Gärtner 1995). In der vorliegenden Arbeit wurde, ähnlich wie bei Drews und Anderson (1977), das Wachstum der Algen im Boden bestimmt, indem durch Verdünnung des Biotestbodens und mikroskopische Auswertung mittels einer Neubauer-Zellzählkammer die Wachstumsrate ermittelt wurde (s. Fototafel 5, Bild 3, S. 79).

Der BBA-Boden, der im entwickelten Biotest eingesetzt wurde, ist besonders geeignet als Testboden, da es sich um einen schwach humosen schluffigen Sand mit einer organischen Substanz von 1,8 % handelt. Damit ist der Testboden als ein sorptionsschwacher Boden einzustufen. Bei sorptionsschwachen Böden werden gegenüber sorptionsstarken Böden geringere Anteile an Bodenschadstoffen oder Pflanzenschutzmitteln an die organische Substanz oder Tonminerale gebunden (Gisi et al. 1990). Es kann ein größerer Anteil bioverfügbar bleiben, damit auch leichter ausgewaschen werden und dadurch in Oberflächen-gewässer und ins Grundwasser gelangen. Somit können mit diesem Biotestboden Sorptions-phänomene und die Bioverfügbarkeit von Stoffen nachgeahmt werden, die in zahlreichen Böden mit ungefähr ähnlichen Bodenparametern im Freiland ebenfalls stattfinden. Nach Mückenhausen (1974) beträgt der Anteil an Sand- und lehmigen Sandböden in den alten Bundesländern 20 %. Der eingesetzte Testboden wurde bisher im Institut für ökologische Chemie der Biologischen Bundesanstalt für Land- und Forstwirtschaft in Berlin für unterschiedliche Pflanzentests eingesetzt (Pestemer & Günther 1993). Aus diesem Grund lagen zahlreiche Untersuchungsergebnisse über dessen eventuelle Belastung durch Xenobiotika vor. Aus diesen war ersichtlich, daß der Boden als unbelastet einzustufen war (mündl. Mitteilung Pestemer 1999), was eine grundlegende Voraussetzung für einen Biotestboden ist. Des weiteren war der Boden für die Abtrennung der Algen von den Bodenpartikeln optimal geeignet, da nur ein geringer Bodenanteil im Filter verblieb.

Dieser Boden wurde im Boden-Biotest zwar nicht sterilisiert, doch nach DIN 19 683 Teil 4 getrocknet. Bei diesem Verfahren bleiben organische Substanz (Hoffmann 1991) wie auch Tonminerale erhalten (mündl. Mitteilung Traulsen 1999; DIN 19 684 Teil 4). Andererseits ist der natürliche Algenbestand des Bodens nicht mehr vorhanden, und das Pilzwachstum in den Böden wird ebenfalls fast völlig reduziert. Bei der Auszählung der Algen war allerdings deutlich zu erkennen, daß verschiedene Bakterienarten die Erhitzung des Bodens überstanden.

Man kann bei dem Versuchsboden nicht von einem natürlichen, aber doch von einem natur-nahen Boden sprechen. Es wurden die sorbierenden Eigenschaften des Bodens durch das Trocknungsverfahren kaum verändertunddie Mikroorganismengemeinschaftdes Bodens

Fototafel 5

Bild 1: Mikrotiterplat-tenausschnitt des Boden-Biotests nach 96 h, von links nach rechts Zunahme der Isoproturonkonzentra-tion.

Bild 2: Ausschnittsver-größerung der Mikroti-terplatte.

Bild 3: Bodensuspension mitChlamydomonas noc-tigama in der Neubauer-Zellzählkammer, wie sie nach dem Durchlauf durch den Goldfilter im Mikro-skop zu sehen ist; Ver-größerung 400fach; zwei Zellen am oberen Bildrand.

blieb teilweise erhalten. Ein weiterer Vorteil dieser Methode war, daß größere Bodenbewohner wie Insekten etc., die zu einer Zerstörung der gleichmäßigen Bodenoberfläche führen könnten, abgetötet wurden. Eine Zerstörung der glatten Boden-oberfläche in den Kavitäten hätte zu unterschiedlichen Wuchsbedingungen der Algen geführt (s. Fototafel 5, Bild 1 und 2, S. 79).

Um den Einsatz der Neubauer-Zellzählkammer zu ermöglichen und störende größere Partikel aus der Erdsuspension zu entfernen sowie gleichzeitig eine Abtrennung der Algen von größeren Bodenpartikeln zu erreichen, kam die Goldfiltermethode von Stellmacher (1993) zum Einsatz. Bei diesem Verfahren wurde die Erdsuspension mehrmals durch einen Kaffeedauerfilter gegeben, und beim Durchfließen der relativ engen Schlitze wurde der größte Teil der Algen von größeren Erdpartikeln gelöst. Vorherige Homogenisierungsschritte mittels Überkopfschütteln unterstützten die Abtrennung der Algen von gröberen Erdpartikeln. Je nach Boden konnten somit 70 % bis 90 % bzw. nach Stellmacher (1993) nahezu 100 % der Algen von größeren Bodenpartikeln gelöst werden und in der verdünnten Erdsuspension mit Hilfe der Neubauer-Zellzählkammer ausgezählt werden. Da der ausgewählte Boden einen geringen organischen Substanzanteil aufwies, war der im Goldfilter verbleibende Bodenanteil gering, so daß eine gute Abtrennung und Ausspülung der Algen aus dem Boden gegeben war.

Diese würde bei Böden mit einem höheren organischen Substanzgehalt etwas geringer sein.

Auf die Anwendung einer fluoreszenzmikroskopischen Auszählung der Algen im Filtrat wurde verzichtet, da die vier ausgewählten Algen sich deutlich von den feinen Bodenpartikeln der gefilterten Bodensuspension bei normaler Hellfeldbeleuchtung oder Nutzung der Phasen-kontrasteinrichtung bei Vergrößerung um das 100- bis 400fache auszählen ließen (s. Fototafel 5, Bild 3, S. 79).

Allerdings konnten die Algen Stichococcus bacillaris und Klebsormidium flaccidum vom Gel-Biotest nicht im Boden-Biotest eingesetzt werden, da bei Stichococcus die geringe Zellgröße und stäbchenartige Form sich nur unzureichend von den Bodenpartikeln unterschied und das feste fädige Wachstum von Klebsormidium nicht zur Auswertung mit der Neubauer-Zellzählkammer geeignet war.

Die Bestimmung der Algendichte in der gefilterten Erdsuspension mittels Chlorophyll-extraktion war nicht möglich, da dazu das Wachstum innerhalb von vier Tagen keine ausreichenden Algendichten ergab. Ebenso war eine an sich effektivere Auszählung der Algendichte mittels Culture-Counter-Gerät nicht möglich, da dieses Gerät nicht in der Lage ist, alle kleineren Bodenpartikel von den Algen zu differenzieren. Die relativ zeitaufwendige Auszählung der Zellen könnte durch ein Bildanalysesystem, daß an ein Mikroskop über Videokamera angeschlossen ist, beschleunigt werden. Da derartige Einrichtungen zur Zeit sehr teuer sind und nur in wenigen Laboren zu Verfügung stehen, wurde die Auswertung mit der klassischen Zählkammermethode vorgenommen.

Ein wesentlicher Unterschied des hier entwickelten Boden-Biotests war der Einsatz von vier Algenarten als Testorganismen gegenüber den Arbeiten von Aktins und Tchan (1967), Helling etal.(1971), Lefebvre-Drouetund Calvet(1983),Yanaseetal.(1993)undHammel

et al. (1998), die nur eine Alge, häufig aus der Gattung Chlorella, als Biotestorganismus einsetzten.

Daß die Beschränkung auf eine Algenart als stellvertretender Testorganismus zur Ermittlung der ungefähren Empfindlichkeit gegenüber Teststoffen für die gesamte Gruppe der Bodenalgen unzureichend ist, wird durch die Untersuchungen von Cullimore und McCann (1977) deutlich. Sie ermittelten für 31 Algenarten, die in landwirtschaftlich genutzten Böden wuchsen, die Sensibilitität gegenüber vier Herbiziden und stellten insbesondere für die Gattungen Chlorella, Lyngbya, Nostoc und Hantzschia fest, daß diese die geringste Sensibilität gegenüber den Herbiziden aufwiesen. Dagegen hatten die Gattungen Chlamydomonas, Chlorococcum, Hormidium, Palmella und Ulothrix die höchsten Sen-sibilitäten. Dieses Ergebnis ist wesentlich, da einige der oben genannten Biotests, wie von Aktins und Tchan (1967), Helling et al. (1971), Lefebvre-Drouet und Calvet (1983) und Yanase et al. (1993), mit Arten aus der Gattung Chlorella als Testorganismen durchgeführt wurden. In Böden, die mit vier Herbiziden bearbeitet wurden, trat eine fast völlige Hemmung des Wachstums von Chlamydomonas-Arten auf. Stichococcus-Arten kamen nur noch zu 30 % bis 40 % vor, dagegen Chlorella-Arten noch zu 70 % bis 80 % (Cullimore & McCann 1977).

Dies zeigt die geringe Sensibilität von Chlorella-Arten und macht deutlich, daß Aussagen, wie bei Aktins und Tchan (1967) über die geringere Sensibilität des Algenbiotests auf Atrazin im Vergleich z. B. zum Hafer-Wuchs-Test, der etwas empfindlicher auf Atrazin reagiert, nicht auf Biotests mit anderen Algenarten übertragen werden können. Aktins und Tchan (1967) arbeiteten nur mit Chlorella pyrenoidosa. Zusätzlich kamen Lefebvre-Drouet und Calvet (1983) gut eineinhalb Jahrzehnte später beim Vergleich zwischen einem Biotest mit Chlorella pyrenoidosa und dem Hafer-Wuchs-Test zu dem Schluß, daß beide Methoden für Atrazin zu Ergebnissen ähnlicher Größenordnung führen. Allerdings handelte es sich hier um einen anderen Biotestaufbau für die Alge als bei Aktins und Tchan (1967). Dies zeigt unter anderem den Einfluß eines unterschiedlichen Testdesigns auf die Sensibilität eines Testorganismus.