Mikrobieller Zellulose-Abbau in einem Fließgewässer

Zbl. lVlikrobiol. 138 (1983),3-8 [Aus dem Institut fur Pf'lanzenokologie del' J'ust.us-Liebig-Universit.at GieLlen]

Mikrobieller Zellulose-Abbau in einem Fhefsgewasser Microbial Decomposition of Cellulose in a Running Water CHRISTIAN KUNZE und MARIA-RITA SCHUBER'f

Summary Cellulose containing test substances were immersed in various samples of a small running water, which differed in their degree of pollution. The microbial decomposition of cellulose was then investigated revealing higher decay rates in the samples taken after the villages compared those derived from sites before the villages. In samples showing relatively rapid breakdown rates also the highest cell numbers of heterotrophs occurred. The decomposition rate of cellulose was even intensified, when the water samples were enriched with sediment of the related sites.

Zusammenfassung Es ist del' mikrobielle Abbau von Zellulose-Testsubstanzen in verschiedenen belasteten ~Wasser­ proben aus einem kleinen Fhefsgowasser untersucht worden. Die Wasserproben, die nach Ortschaften entnommen wurden, wiesen hohere Zellulose-Abbauraten auf als diejenigen, die von Standorten VOl' den Ortschaften st.ammon. Dort wo ein relativ sehneller Abbau der Zellulose festzustellen war, treten auch die hochsten Heterotrophenzahlen auf. Die Abbaurate del' Zellulose wird noch gesteigert, wenn den Wasserproben Sediment des betreffenden Standortes zugesetzt wird.

Zellulose ist ein wesentlicher Bestandteil der Zellwand hoherer Pflanzen und vieler Pilze. Da sie nach dern Absterben der Pflanzen nur relativ langsam zersetzt wird, ist Zellulose das weitaus hiiufigste Polysaccharid in der Natur. So ist es ganz se1bstverstiindlich, daB sich zahlreiche Untersuchungen mit dem Abbau der Zellulose im Boden und im Wasser beschaftigt haben: v. BRAND (1944), HUNDT und H,WER (1968), TESAROVA (1971), FLEISCHER und LARSSON (1974), LAMOT und VOETS (1976), SCHRODER und GEWEHR (1977), WUNDERLICH (1977), VAATANEN und SUNDQUIST (1977). NIESE und NEUMEYER-SEEKATZ (1979) u. v. a. Der Abbau der Zellulose in der Natur erfolgt fast ausschlieBlich durch Mikroorganismen, von denen zahlreiche die Fiihigkeit dazu besitzen. Bakterien und Pilze, die am Um- und Abbau der Zellulose beteiligt sind, kommen ubiquitiir vor. Man konnte sie bisher an allen Orten nachweisen, wo immer man auch nach ihnen gesucht hat. Wie gering der EinfluB des geographischen Faktors fur das Vorhandensein zelluloseabbauender Mikroorganismen ist, zeigt die Versehiedenartigkeit ihrer Fundorte in einer Zusammenstellung von IMSCHENEZKY (1959). Aber nicht nur terrestrische und iiquatisehe Okosysteme bieten diesen Mikroorganismen beste Entwieklungsmogliohkeiten, auch in Anhiiufungen zellulosehaltigen Materials, wie im Torf (MAKRINOW 19:34), im Dung (KOOH 1910, OMELIANSKY 1902), in Waldstreu (STAPP und BaRTELS 19:34) und in Textilbestiinden (IMSCHENEZKY 1959; VON BRAND 1944, 1944a; OSTER1'AG 1954) vermogen sie ihre Aktivitiit zu entfalten. Wiihrend die Zersetzung von zellulosehaltigem Material im Boden von Bakterien und Pilzen gleichermaBen bewirkt wird, kommt der Hauptanteil beim Abbau im Wasser den Bakterien zu (VON BRAND 1953). Die Bedeutung pilzlicher Zellulose1*

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CIIK. KUNZI,

und lVI.-R. SCHUBERT

zerstorung scheint in diesem Okosystem nur gering zu sein. Nach KLusT und MANN (1955) unterscheidet man im Wasser zwei biologisch verschiedene Gruppen zellulosezerstorender Bakterien, die aeroben und die anaeroben. In der Freiwasserzone der Gewiisser ist das Wirkungsfeld der aeroben Bakterien, wahrend im Bodenschlamm und in der unmittelbar dariiberstehenden Wasserschicht anaerobe Arten gunstige Lebensbedingungen vorfinden. In FlieBgewiissern ist ein stiirkerer Abbau bekannt als in Seen und Teichen. Die hohe Verrottungsgeschwindigkeit kommt durch eine stiindige Vermischung der Wasserschichten zustande. Untersuchungen hinsichtlich der Aktivitiit von Zellulosezerstorern erbrachten Abbaustiirken, die alle Maxima von stehenden, eutrophen Gewiissern weit iibertreffen. Lediglich ein Absinken der Wassertemperatur hemmt die Verrottung und schafft dadurch einen temperaturbedingten Jahresrhythmus (VON BRAND 1954, RHEINHEIMER 1960).

Das Untersuchungsgebiet Die in dieser Arbeit beschriebenen Untersuchungen wurden an denselben Standorten durchgefUhrt wie die bei KUNZE und STOBER (1981) dargestellten mikrobiologischen Experimente. An dem kleinen FliiBchen Wieseck, das im Gebiet des Vogelsberges entspringt und nach etwa 23 Kilometern bei GieBen in die Lahn mundet, wurden insgesamt 12 Standorte fur Probenentnahmen ausgewiihlt. Dabei wurden diese so verteilt, daB sie sich vom Quellgebiet aus in mehr oder weniger gleich groBen Abstiinden entlang der FlieBstrecke befinden. Da auch der EinfluB der an der Wieseck liegenden Ortschaften miterfaBt werden sollte, wurden die Standorte auch so gelegt, daB ein Teil von ihnen vor und ein anderer nach den Ortschaften liegt. So befinden sich die Standorte 1, 3, 5 und 7 vor, und die Standorte 2, 4, 6, 8 und 9 hinter einzelnen Ortschaften. Die Standorte 10, 11 und 12 liegen dann im Stadtbereich von GieBen. Da tiber den Versuchszeitraum im Quellgebiet (Standort 1) nicht ausreichend 'Vasser entnommen werden konnte, wurde dieser Standort nicht berticksichtigt.

Material und Methoden Zur Charakterisierung del' verschiedenen Wasserproben war es notwendig, einige chemische und physikalische Daten zu erfassen. So wurde del' Sauerstoffgehalt direkt am Standort mit einer Sauerstoffelektrode gemessen, ebenso wurden Temperatur und pH-Wert und die Leitfahigkeit direkt am Standort erfal3t. Die ubrigen Bestimmungsmethoden erfolgen nach den bei MERCK beschriebenen Analysemethoden, so wurde Ammonium mit Nel3lers Reagenz, Nitrit mit Naphtylamin und Sulfanilsaure und Nitrat mit Natriumsalicylat bestimmt. Die quantitative Erfassung des Phosphatgehaltes wurde mit del' Molybdat- Vanadat- Methode durchgefiihrt, und del' Biochemische Sauerstoffbedarf wurde als BSB 2 ermittelt. Urn den Zclluloscabbau verfolgen zu konnen , wurdcn in die zu untersuchenden Wasserprobon Chromatographiepapierstiicke gegeben. Das Testmaterial wurde in rechteckige Plattchen von etwa 12.X 12.mm geschnitten, die VOl' Versuchsbeginn gemm ausgewogen wurden. Bei allen Versuchsreihen dauerte die Inkubation 14 Tage bei 20°C. Die gelb-orange bis braun verfarbton und teilweise stark zerkliifteten Chromatographiepapierplattchen wurden nach del' Inkubationszeit vorsichtig mit einer Pinzette aus dem Probenglaschen entnommen, mit Aqua destillata abgespult und bis zur Gewichtskonstanz getrocknet. Die Hohe des Zelluloseabbaus wurde iiber die quantitative Bestimmung des Gehaltes del' noch vorhandenen Zellulose ermittelt (Anthron-Methode). Del' zu bestimmende Zelluloserest wurde nach dem Trocknen in 10 ml 65%iger Schwefelsaure aufgelost, Die Zeit zur vollstandigen Hydrolyse wurde bei allen Versuchen konstant auf 150 min angesetzt, wobei in Abst.anden von 15 min kraftig geschiittelt wurde. Gegen Ende del' Hydrolyse lag eine weitgehend klare Losung VOl'. Von diesel' wurden 0,2 ml in ein Reagenzglas mit 5 ml 65%iger Schwefelsaure einpipettiert und 2 ml des vorher frisch zubereiteten Anthron-Reagens (0,2 g Anthron in 100 ml 65%iger Schwofelsaure bis zur vollstandigen Losung geriihrt) zugefiigt. Danach wurde 10 min im kochen-

den WlIssel'b ad erhit zt , 20 min bei R aumtem perutu r a bgek iihlt und a nschlia tlend 0,3 ml del' nun dunkelblau bis sehw ar z gefarbte n Losung mi t 5 ml 65 %ige r Schwefelsa ur e gem ischt. Die :\!essung des Farb ko m lpe xes erfolgte n ach kriiftigem Schiit.teln gegen ein gleichhehan de lte n Stan dar d ant hro nre ag ens im Sp ek t ralphot ometer bei einer "Well enlan ge vo n 020 n m. D aB fill' den Abbau del' Zellulose di e im Wi eseck- \Vasser vor han den en Mikroo rganism en ver a nt wort lich sein mussen, konnte dadurch gezeigt werd en, daf bei eine r Ve r di.i nnu ng des P ro benwassers m it aqua dest, di e Abbauleistung linear mi t del' Verdunnung sa nk , in reinem a qu a dest. fand sch liefslich ga r kein Abb au del' Zellulose m ehr st att. Bei den Versu chen zu r Abbaurat e unterschi edlicher Zellulosearten erga b sich eine ho ch sign if ik an t be ssere Abbaurate bei \ Vat t e, Cello ph an und Verbandmull gegenii be r dem Standard Chrom atogra phie papier. Bei del' St ruktur des Cellopha ns be st ehen gii nst ige Angriffsmogli chkeiten fiir di e Zellulosezer storer durch di e ind ust rielle Den aturierung del' Zellul ose, \Vie schon be schrieben, wurden alle Ver su che au lser dem Vers u ch zu m Abbau unt ers chierllicher Zellulosearten mit Chro m ,~tog r a phiepapieJ'stiicken von et wa 12 X 12 mm durchgafuhrt. Zu h oher en Abbauraten kann m an kom men, wenn das Substrat zerklein ert wird, Bei einer Zerteilung des 12 X 12 mm groBen St.uck es in vier Teile war ein urn 25 % schneller er Abbau del' Zellulose festzust ellen, bei Zerteilung in neun Teil stticke war del' Abbau um m ehr als 50 % schneller. \Vurde da s Chromat ographiep apier zer m ahlen, d ann war die Abbauleistung fas t dreimal so groB wie im F aIle des Standardstucke s. Zu den Beziehungen zwis chen Ob erf'lachengrolse des verwendeten Su bst rata und Zelluloseabbau ist seit l an gem bek annt, d aB jed e Ob erf'lachen vergroflerung zu sat.z> Iiche Angriffsf'lachen fur di e Zellulosezers t orer bietet und den Zelluloseabbau beschleunigt. E s ist bei den Ergebnissen diesel' U n ters u chu ngen jedoch zu uberlegen, in wiofern die von KO RM A NDY (1968) gen annten F aktor en ftlr einell art ifiziellen Gewichtsv erlust del' gem ahlene n Zellulose diesel' Unters u chu ng sorg te n . Die vo n K ORMANDY (196 8) besch riebenen Fnktoren waren : euzymat ischer Abbau von B akteri en und Pilzen, Ausl osung vo n Iosliehen Ab bau p rodu kten , Verlust von F ragm enten. In diesel' U n te rs uc hun g sollt e ja del' ers te Faktor, de l' mikrobielle Ab ba u , untersu ch t wer de n , del' 3. F akt o r, del' Verlus t von F ragm enten , ist be i del' gem ahlene n Zellulose (Best im mu ng n ach Abnu t sch en mi t Hilfe eines Gla sfilter s) ni cht zu befti r cht en . J ed och die Aufloslung loslicher Abbaupr odukt e ist als F ehler m ogli chkeit ein zuka lkuliere n , jed och nur in qu an ti t ati ver Hinsicht, da bei den un gem ahlen en P a pierplat t chen del' gleic he Vo rg ang ablau ft , m oglieher weise in ger inger em Ausm a fi. E in weiterer Hinweis, d al3 diesel' Effekt einen nul' ger in ger en E infl ul3 hat, ergibt sich a us den Ver su chen zu m Abbau untersch iedlicher Zellulosearten . Di e fein st verteilt en HBS- und DE AE -Zellulosell (Serva) h at t ell nul' eine n geri ngfiigig hoh er en A bba u uls di e Chro m at og ra ph iepa pierzell ulose , jed och einen erheblich geri ngeren Abbau als Cello phan , W nt.t o odor Verba nd rn ul l, d ie ja ni ch t in fein st verteil ter F orm vorluge n, Di e ge m esse ne Erhohun g des Zelluloseabbaus bei d el' gem ah lenen Zellulose gegen iib er den Stiicken aus Chromat ographi e papi er ist "hochsignifik an t , so da!,l selbst ein zu satzliehe« F ehler kein en E influl3 au f das E rgeb nis hat t e,

Ergebnisse Von Mai 1980 bis Oktober 1980 wurden an 7 Terminen an 12 Standorten entlang del' Wieseck Wasserproben ent nommen . Diese Proben wurden analysiert (Tabelle 2), und es wurde getestet, wie schnell in ihnen del' Abbau von Zellulose-Teatsubstanz a bliiuft . Dies geschah einma l in Ansatzen, die nul' Wieseck- Wasser ent hielten , und zum a nderen in Ansatzen , denen noch 1 g Sediment des betreffenden Standortes zugeset zt worden war . Die zeitl ich unter schiedlieh ent no mmenen Prob en eines jeweiligen Standortes zeigten tiber den Untersueh ungszeit ra um nur ganz geringe Abweichungen in del' Zellulose-Abbaugeschwindigkeit , so daB in Tabelle I nul' die Mittelwerte aus den sieben Messungen an gegebell sind. Deut1ich ist zu erke nnen, daB die Zellu10seAbbau1eist ung an den St andort en hinter den Ortschaften (2, 4, 6, 8 und 9) hoh er ist als an den Standorten VOl' den betreffenden Ortschaften (3, 5 und 7). Auffalli g hoch sind auch die Abb au1eistungen im Stadtgebiet von GieBen (11 und 12). Betrachtet man jetzt die bei K UNZE und STOBER (1981) an gegebenen IIeterotrophenzahlen fUr diese Standorte (Tab elle 1), so zeigt sich, daB in beiden F iillen del' Standort 2 die mit

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CHR. KUNZE und M.-R SCHUBERT

Tabelle 1. Zelluloseabbau in Wasserproben ans einern FlieBgewasser mit und ohne Sediment. (Mittelwerte aus sieben Entnahmeterminen) Heterotrophenzahl nach KUNZE und STOBER (1981) Standort

Zelluloseabbau in ohne Sediment

%

Zelluloseabbau in mit Sediment

%

Heterotrophenzahl X 104 27,2

2

82

83

608,6

3

25

52

33,2

4

28

er

72,1

5

25

58

22,9

6

48

67

198,2

7

29

69

33,8

8

41

62

95,6

9

44

72

94,6

10

38

54

67,3

11

46

58

96,4

12

54

G3

108,7

Abstand hochsten Werte aufweist. Hier, in dem Wasser dieses auBerordentlich stark belasteten Wassers (siehe auch Tabelle 2) befinden sich die meisten Heterotrophen, und hier wird auch die getestete Zellulose am schnellsten abgebaut. Auch alle anderen Standorte zeigen das gleiche Bild - dort wo viele Heterotrophenkeime nachweis bar waren, verlauft auch del' Zelluloseabbau relativ rasch (Standorte 6, 8, 9, 11 und 12), wahrend er deutlich langsamer an den Standorten ablauft, an denen weniger Keime Tabelle 2. Chemisehe und physikalisehe Parameter del' versehiedenen Wasserproben in denen del' Zelluloseabbau verfolgt wurde. (Mittelwerte aus sieben Entnahmeterminen) mg/l

mg/l

N0 2 -

HH4 + mg/l

P043mg/l

BSB 2 mg/l

1150

9,4

0,9

78,7

74,0

115,1

58

4fi4

7,3

0,3

7,fJ

10,5

3,7

4

27

438

4,7

0,2

10,0

9,2

4,7

5

3G

450

e,o

0,2

8,9

10,7

2,0

G

33

G05

7,0

0,3

13,4

17,7

G,7

°2- Satti. gung %

keit fiS/em

2

20

3

Standort

Leitfahig-

N0 3 -

1

7

77

G70

9,0

0,4

{i,4

8,5

2,7

8

64

550

10,8

0,4

7,1

9,7

4,0

9

72

530

11,4

0,5

5,2

7,9

2,1

10

G9

550

12,1

0,6

5,9

9,0

2,0

11

GO

535

11,0

O,G

5,8

9,4

2,1

12

fi4

570

11,7

0,6

5,4

10,0

3,8

l\likroh ipller Zellul ose-Abb au in einr-m Fli pf3g( ' wii~"PI'

i

gefunden worden war en. Die Zugabe von Sediment zum Versuchsnnsatz hat in allen Fallen eine deutliche Ste igerung der Abbaugeschwindigkeit zur Folge. und zwar um so st arker, je geringer die Abba ugeschwindigkeit ohne Sediment war. So ist fur Standort 2 nur eine minim ale St eigerung festzustellen, dagegen konnte fur die St andorte 3, 4, 5 und 7 ein Ansteigen der Werte auf mehr als das Dopp elte del' Werte ohne Sediment beobacht et werden. Hier erfolgt also durch die Sedimentz uga be eine zahlenmalsige Angleichun g del' in den Proben aktiven Zellulosezersetz er. Antwo rt auf die Frage, ob hestimmte Ionen in dem untersucht en FlieBgewiisser als Minimumfaktor fiir den Zelluloseabbau wirken, sollten Versuche geben, in denen Wasserproben vorn Stand ort II "gediingt " wurd en, d . h. also zusatzlich mit Salzen angereichert wurd en. In diesel' Unte rsuchung ergab Rich eine Abbauh emmung bei Konzentrationen del' Ionen Ammonium, Nitrat, Nitrit , Phosphat und Sulfat von mehr als I g Einz elion pro Liter Wieseckwasser. Bei geringeren Konz entrati onen war weder eine Abauhemmung, noch eine Abbauforderung nachzuweisen. Bei del' Verwendung von Salzkombinationen zur Diingung des Wieseckwassers erhohte sich die Abbaurate fur die Zellulose bis zu Konzentrationen von 100 mg Ionen pr o Liter Wieseckwasser. Ab I g Jonen pro Liter trat eine Hemmung des Zelluloseabbaus ein . Diese Erg ebni sse ste hen in tbereinstimmung zur Lit eratur. Es wi I'd von vielen Autoren darauf hingewiosen, daB bei Vorliegen del' essent iellen Spurenh estandteile eine zusiitzliche Dungung mit mehr eren Salzen in K ombinati on zu einem erhohte n Zelluloseabbau fiihrt (K LUSl' und l\hxN 1955). Als Substa nz, die den Zelluloseabbau stark ste igert , wurd e in diesel' Untersuchung Pepton in .Mengcn bis zu 500 mgjl vcrwendet. Ab K onzent rationen von 5 gIl nahm del' Anst icg des Zelluloseabbaus ab , war ab el' immer noch signifikant hoher als im nativen Wieseckwasser. Da nur durch den Zusatz von P epton zum Wieseckwasser eine Erhohung des Zelluloseabb aues erzielt werd en konnte, muB festgestellt werden, dal3 die untersucht en Wasserproben fill' die Zellulosezersetz er nahezu ideale Lebensbedingungen biete n.

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