Typische phänotypische Veränderungen von gestressten Fronden im Vergleich zu gesunden Fronden. © LemnaTec

Eine solche Quantifizierung ermöglicht eine genaue Berechnung des Chlorose- oder Nekrosegrades und hilft so bei der Beurteilung der Lebensfähigkeit. Und die Bewertung der Lebensfähigkeit macht eine detaillierte Bewertung der Auswirkungen von Prüfsubstanzen auf die Entwicklung der Wasserlinsen möglich. Weiterhin kann die Bildanalyse eine Formbeschreibung für die einzelnen Wasserlinsen geben, die hilft, stressbedingte Formänderungen zu erkennen.

Beispielstudien mit Bildaufnahme und -analyse

In einer Pilotstudie wurden Wasserlinsen mit Kaliumdichromat in Konzentrationen von 0,2 bis 50 mg pro Liter Medium behandelt und diese mit Fronden, die ohne die Prüfsubstanz wuchsen, verglichen. Bereits niedrige Konzentrationsstufen verringerten das Wachstum, und die Wachstumshemmung nahm mit ansteigenden Mengen an Kaliumdichromat weiter zu. Zusammen mit der Wachstumsreduktion änderte sich die Frondfläche teilweise von grün zu gelb, was darauf hindeutet, dass große Teile der verbleibenden Fronden geschädigt wurden.

Wasserlinsen nach der Analyse mit „LemnaGrid“: Einzelne erkannte Fronden sind mit roten Punkten markiert und von dunklen Linien umgeben. © LemnaTec

Ökotoxikologische Tests mit Wasserlinsen sind in verschiedenen Anwendungsbereichen weit verbreitet, wie Beispiele aus der Literatur zeigen. Solche Tests werden im Abwassermanagement verwendet, um zu überwachen, ob pflanzentoxische Stoffe nach der Abwasserbehandlung im Wasser zurückgeblieben sind. Forscher aus Lissabon analysierten die Effizienz der Abwasserreinigung mit unterschiedlichen ökotoxikologischen Tests [1]. An verschiedenen Wochentagen und Tageszeiten änderte sich die Toxizität des Abwassers, wie u. a. durch Wasserlinsentests festgestellt wurde. Dabei wurde aufgezeigt, welche primären und sekundären Behandlungsschritte der Abwasserreinigung besonders effizient zur Beseitigung toxischer Verbindungen sind.

Nanopartikel sind weit verbreitet, z. B. für Oberflächenbeschichtungen oder in Solarzellen. Sie können auch toxisch auf Organismen wirken. Ein Forschungskonsortium testete die Phytotoxizität solcher Partikel mit Hilfe von Wasserlinsentests unter Verwendung eines Lemnatec-Systems [2]. Obwohl die getesteten Partikel für Lemna minor ungiftig waren, wurde Toxizität für andere Organismen wie Bakterien, Algen oder Krebstiere festgestellt.

Frond-Bereich und Farbklassenfraktionen in Abhängigkeit von zunehmenden Konzentrationen einer toxischen Substanz (hier Kaliumdichromat). © LemnaTec

Chemikalien in Katalysatoren sind potenzielle Quellen für Umweltverschmutzung und ökotoxikologische Tests helfen bei der Beurteilung von Gefahrenpotenzialen solcher Stoffe. Ein Team aus deutschen und polnischen Forschern hat die toxische Wirkung von Methyltrioxorhenium und deren Derivaten gemessen, die als Katalysatoren in der Petrochemie geeignet sind [3]. Nicht nur die Toxizität gegenüber höheren Pflanzen, wie sie mit einem Lemnatec-Wasserlinsentest bestimmt wurde, sondern die Toxizität auf verschiedene andere Organismen führte zu dem Schluss, dass eine Freisetzung von solchen Chemikalien umweltschädlich ist.

Die veröffentlichte Literatur zu ökotoxikologischen Studien, die Wasserlinsentests mit dem oben beschriebenen System heranziehen, umfasst nicht nur diese Beispiele für Wassermanagement, Nanopartikel oder Katalysatoren, sondern es gibt auch Beispiele aus Herbizidtests [4], Tests mit Naturstoffen [5, 6], mit homöopathischen Substanzen [7] und andere Anwendungsbereiche, z. B. Charakterisierung von Lebensmittelzusatzstoffen.

Literatur

[1] Mendonça E., Picado A., Paixão S.M., Silva L., Barbosa M., Cunha M.A. (2013) Ecotoxicological evaluation of wastewater in a municipal WWTP in Lisbon area (Portugal). Desalination and Water Treatment, 51, 4162–4170.

[2] Picado A., Paixão S., Moita L., Silva L., Diniz M., Lourenço J., Peres I., Castro L., Correia J., Pereira J., Ferreira I., Matos A., Barquinha P., Mendonca E. (2015) A multi-integrated approach on toxicity effects of engineered TiO2 nanoparticles. Front. Environ. Sci. Eng., 1–11.

[3] Stolte S., Bui H.T.T., Steudte S., Korinth V., Arning J., Białk-Bielińska A., Bottin-Weber U., Cokoja M., Hahlbrock A., Fetz V., Stauber R., Jastorff B., Hartmann C., Fischer R.W., Kühn F.E. (2015) Preliminary toxicity and ecotoxicity assessment of methyltrioxorhenium and its derivatives. Green Chem, 17, 1136–1144.

[4] Grossmann K., Hutzler J., Tresch S., Christiansen N., Looser R., Ehrhardt T. (2012) On the mode of action of the herbicides cinmethylin and 5-benzyloxymethyl-1, 2-isoxazolines: putative inhibitors of plant tyrosine aminotransferase. Pest Management Science, 68, 482–492.

[5] Diers J.A., Bowling J.J., Duke S.O., Wahyuono S., Kelly M., Hamann M.T. (2006) Zebra Mussel Antifouling Activity of the Marine Natural Product Aaptamine and Analogs. Marine Biotechnology, 8, 366–372.

[6] Meepagala K.M., Bracken A.K., Fronczek F.R., Johnson R.D., Wedge D.E., Duke S.O. (2020) Furanocoumarin with Phytotoxic Activity from the Leaves of Amyris elemifera (Rutaceae). ACS Omega.

[7] Jäger T., Scherr C., Simon M., Heusser P., Baumgartner S. (2011) Development of a test system for homeopathic preparations using impaired duckweed (Lemna gibba L.). The Journal of Alternative and Complementary Medicine, 17, 315–323.

AUTOR
Dr. Marcus Jansen
LemnaTec GmbH, Aachen
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www.lemnatec.com