Wasserlinsenanalyse

Einflüsse schädlicher Wasserinhaltsstoffe auf Wasserlinsen beobachten

Wasserlinsen-Wachstumstests werden für Risikobewertungen in vielen Bereichen verwendet. Zum Beispiel dienen sie der Prüfung der Pflanzentoxizität von Chemikalien, einschließlich Pflanzenschutzmitteln und anderen Stoffen, die in der Landwirtschaft und im Gartenbau verwendet werden. Weiterhin können Industrie- und Lebensmittelchemikalien auf ihre toxischen Eigenschaften gegenüber Pflanzen untersucht werden. Darüber hinaus liefern sie ökotoxikologische Daten über Wasser- und Bodenkontamination.
© ONGUSHI/Shutterstock.com

Die Tests stützen sich auf die wiederholte Zählung der Fronden (d. h. der einzelnen Wasserlinsen) während des gesamten Testzeitraums, insbesondere auf die Veränderung der Fronden-Entwicklung nach der Anwendung der Prüfsubstanz. Die Auswirkungen von Prüfsubstanzen auf das Wachstum und die Entwicklung von Fronden werden im Vergleich zur Entwicklung unbehandelter Fronden bewertet. Die Begutachtung der Fronden wird im Folgenden anhand des Bildaufnahme- und Bildanalysesystems „PhenoAIxpert“ beschrieben. Dieses System nimmt RGB-Bilder der Proben auf und analysiert sie mit Hilfe eines Softwarepaketes. Dieses analysiert die Bilder und identifiziert dabei die Fronden, zählt sie, und kann bei Bedarf weitere Vermessungen, z. B. Größe oder Farbe, durchführen und daraus Ausgabetabellen mit allen gemessenen Parametern generieren. Wird dieses Verfahren mit mehreren Proben an aufeinander folgenden Tagen durchgeführt, ergibt sich ein multifaktorieller Datensatz zur zeitlichen Entwicklung der Wasserlinsen und ihrer Reaktion auf die Prüfsubstanzen.

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Für die Bildverarbeitung setzt Lemnatec das Paket „LemnaGrid“ ein, das aus einer grafischen Oberfläche mit modularen Funktionen besteht, die zu Auswerteprozeduren kombiniert werden können. Es stehen Funktionen der Bildsegmentierung, Filter, Ein- und Ausgabe-Funktionen und Objekterkennungsfunktionen zur Verfügung. Diese können auf der Benutzeroberfläche kombiniert werden, so dass ein Bildverarbeitungsprozess programmiert wird. Der wesentliche Vorteil ist, dass es keiner Kommandozeilen-Programmiersprache bedarf, um selbst neue Analysen zu programmieren. So können Nutzer neben voreingestellten Standardanalysen selbst Analysen anpassen oder neu erstellen.

Automatisch über sieben Tage gemessene Frondzahlen. © LemnaTec

Als Ausgabewerte der Analyse werden für jedes Bild die Anzahl, Größe und Farbe der Fronden geliefert. Hierdurch ergeben sich für jede Probe quantitative Daten, die bei der Charakterisierung des Entwicklungs- und Gesundheitszustandes der Wasserlinsen helfen. Die Anzahl und ihre zeitliche Änderung zeigt an, ob und wie schnell die Population wächst. Bereits hierdurch ergibt sich ein Hinweis darauf, ob die Testsubstanz das Wachstum der Wasserlinsen hemmt oder fördert. Auch die Größenentwicklung der Fronden ist ein Indikator für das Wachstum. Während bei einer visuellen Begutachtung lediglich qualitative Aussagen zur Größe möglich sind, kann mit dem beschriebenen Bildverarbeitungssystem ein numerischer Flächenwert für jeden Frond ermittelt werden. Hierdurch werden qualitative Wachstumsdaten bereitgestellt, die deutlich über die Möglichkeiten einer visuellen Begutachtung hinausgehen. Ähnlich verhält es sich mit der Farbe; hier werden numerische Daten (z. B. RGB-Werte) zur Farbe geliefert, die sich mit der Ausbildung von Chlorosen oder Nekrosen, die als Reaktion auf Testsubstanzen entstehen können, korrelieren lassen.

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
info@lemnatec.com
www.lemnatec.com

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