Untersuchung des Einflusses des pH-Wertes auf die Grünalge Chlorella vulgaris im Algenschnelltest

Abstract

Im Institut für Hygiene und Umwelt in Hamburg wird, neben anderen Biotests, ein Algenschnelltest zur Analyse von Gewässer- und Abwasserproben angewendet, da sich verschiedene Schadstoffe wie Herbizide und Schwermetalle messbar auf das Fluoreszenzverhalten von Mikroalgen auswirken (z.B. Brack, et al. 1998; Brayner, et al. 2011; Goldsborough & Robinson, 1984; DeLorenzo, et al. 2001). In Anlehnung an andere Biotestverfahren werden die Proben z.Zt. vor der Testdurchführung auf einen pH-Wert von 7 ± 0,2 neutralisiert. Die Veränderung des pH-Wertes wirkt jedoch auf alle Substanzen in der Probe und kann zu einer Zu- oder Abnahme der messbaren toxischen Wirkung führen. Die Beurteilung, ob eine toxische Wirkung in situ bestand hat ist durch die Neutralisierung nicht mehr sichergestellt. Die Untersuchung der Proben unter unveränderten Bedingungen wäre also wünschenswert. Voraussetzung hierfür ist eine Untersuchung des Einflusses des pH-Wertes auf das Fluoreszenzverhalten der Alge Chlorella vulgaris, welche Gegenstand dieser Arbeit war. Aus diesem Hintergrund heraus wurde die Hypothese aufgestellt, dass der pH-Wert für den Algenschnelltest, im für die Anwendung relevanten Bereich, keinen Einfluss auf die Fotosyntheseaktivität der Alge Chlorella vulgaris hat. In einem Vorversuch wurde das Fluoreszenzverhalten der Alge bei extremen pHBedingungen von pH 2 bis pH 12 in Abständen von ca. 2 pH-Stufen untersucht. Vom sauren zum neutralen pH- Bereich wurde ein leichter Anstieg der Fotosyntheseaktivität gemessen. Zwischen pH 10 und pH 12 fiel die Fotosyntheseaktivität stark ab. In drei weiteren Versuchen wurde die Fotosyntheseaktivität von drei Algenkulturen von Chlorella vulgaris zwischen pH 5 und pH 11 in Abständen von jeweils ca. einer pH-Stufe gemessen. Zusätzlich wurde eine Messung ohne pH-Modifikationen vorgenommen. Für alle Versuche wurde die Algenaktivität mit Hilfe des Puls-Amplituden-Modulation-Fluoreszenz-Verfahrens im für den Algenschnelltest vorgeschriebenen Testmedium gemessen. Die Auswertung erfolgte für Unterschiede innerhalb der Versuche je Algenkultur und für jeden pH-Wert im Vergleich zur Referenz einzeln. Um einen Einfluss Unterschiede zwischen den Algenkulturen der Versuche herauszufinden wurde dieser ebenfalls getestet. Innerhalb der Algenkulturen unterschieden sich die Fotosyntheseaktivitäten bei verschiedenen pH-Werten von ca.5 bis ca.10 signifikant voneinander. Die Einzelauswertung zeigte einen signifikanten Einfluss auf die Fotosyntheseaktivität ab pH-Werten von 9. Ein signifikanter Unterschied zwischen den Algenkulturen wurde statistisch nachgewiesen, hatte jedoch nur im Grenzbereich von pH-Wert 9 einen Einfluss auf das Ergebnis dieser Arbeit. In allen Betrachtungsweisen war der zunehmende Einfluss erkennbar. Die Hypothese, dass der pH-Wert im für die Anwendung relevanten Bereich keinen Einfluss auf die Fotosyntheseaktivität der Alge Chlorella vulgaris hat muss ab einem pH-Wert von 9 abgelehnt werden. Der Einfluss des pH-Wertes auf die Fotosyntheseaktivität könnte jedoch weniger bedeutend als die Auswirkung eines neutralen pH-Wertes auf die Toxizität von Herbiziden sein. Mit zusätzlichen Untersuchungen der Auswirkungen des pH-Wertes auf den Prüfstandard und die Kontrolle im Algenschnelltest, könnte die Methode vielleicht dennoch angepasst werden und zu einer besseren Einschätzung der Toxizität von Verbindungen unter realen Umweltbedingungen führen.

The Institute for Hygiene and Environment in Hamburg uses a range of bioassays in analysing water and wastewater, including a rapid algal based test (Algentest). Certain substances, such as herbicides and heavy metals, influence the fluorescence characteristics of the algae Chlorella vulgaris measurable (z.B. Brack, et al. 1998; Brayner, et al. 2011; Goldsborough & Robinson, 1984; DeLorenzo, et al. 2001). In most bioassay tests the sample is neutralised (pH 7.0+0.2) prior to analysis. However, the change in pH affects all substances in the sample and can result in an increase or decrease of the measured toxicity. This means that it is not possible to accurately estimate the in situ toxicity of samples in ecological systems in pH amended tests. It is therefore desirable to analyse the sample at an environmentally relevant pH level. An analysis of the impact pH on fluorescence behaviour of the algae is therefore required and this is the topic of this dissertation. Based on this, the hypothesis developed for this study was that pH in the relevant range of application does not influence the photosynthesis activity of Chlorella vulgaris during rapid alga testing. In a preliminary test the fluorescence behaviour of the algae was tested at extreme pH values, between 2 to 12 rising in increments of 2 pH units. Between the acidic and neutral pH range only a small increase of fluorescence activity was observed. However, between pH 10 and 12 the fluorescence activity dropped significantly. Based on these results the hypothesis was established that at the range of pH typically used in rapid algal bioassays (pH 5 to 10) has no influence on the fluorescence activity of Corella vulgaris. For all experiments the algae activity was measured by means of the pulse amplitude modulation fluorescence method in the test medium prescribed for the rapid algae test. The three main tests examined the fluorescence activity of 3 algal cultures where the pH was varied from 5 to almost 11, increasing by approximately 1 pH increment at a time. A control algal culture test without pH modification was also maintained. The algae activity for all tests was measured by means of the pulse amplitude modulation fluorescence method in the test medium prescribed for the rapid algae test. The evaluation of results was undertaken on each individual algal culture, and for each pH value, in comparison to the control. To evaluate the influence of different algal cultures, the differences between the tested cultures were also analysed. Inside the algae culture the photosynthesis activities at different pH levels varied significantly between pH of 5 to 10. The analysis of the individual cultures showed a significant difference of fluorescence activity at around pH 9. Statistical analysis showed a difference between the algae cultures, but only above pH 9, this had an effect on the results of the dissertation. In all analyses the influence of the pH became apparent at around pH 9. The hypothesis that the pH in the relevant range of application does not influence the photosynthesis activity of the algae Chlorella vulgaris does not apply for pH 9 and above. The influence of the pH on photosynthesis could be less meaningful than a neutral pH on the toxicity of herbicides. Future testing of the influence of the pH on the test set up and on the rapid algae test control sample could result in adaption of the method, which could allow a better understanding of toxiticy in environmentally relevant conditions.