Biomonitoring von Eutrophierungswirkungen in Kaliningrad (Russland) mit Flechten und Baumrinde

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1 Biomonitoring von Eutrophierungswirkungen in Kaliningrad (Russland) mit Flechten und Baumrinde Assistant School of Life Sciences Immanuel Kant Baltic Federal University Artem Pungin Linz 2017

2 Die Hauptquellen der Luftverschmutzung in der Stadt Kaliningrad sind Verkehr, Wohnungs- und Kommunalwirtschaft, Schiffsreparatur, Energie-, Bau-, Möbel- und Lebensmittelindustrie. 2

3 3 Messstellen NO 2 mg/m 3 0,021 0,023 0,023 0,025 0,025 0,026 0,026 0,028 0,028 0,030 0,030 0,032 0,032 0,033 Jahresdurchschnittskonzentrationen von Stickstoffdioxid in der atmosphärischen Luft in Kaliningrad im Jahr The Government of the Kaliningrad region, the Department of Environmental Monitoring of the Kaliningrad region: The National report on the environmental situation in the Kaliningrad region in Kaliningrad

4 mittlere Konzentration, mg/cbm 4 0,2 0,15 Schwebstoffen 0,1 Stickstoffdioxid Stickstoffmonoxid 0,05 0,04 Ammoniak Schwefeldioxid Jahr Die Jahresdurchschnittskonzentrationen der Luftschadstoffe in Kaliningrad The Government of the Kaliningrad region, the Department of Environmental Monitoring of the Kaliningrad region: The National report on the environmental situation in the Kaliningrad region in Kaliningrad

5 5 Das Hauptziel der Untersuchung war die Durchführung des Biomonitoring von Eutrophierungswirkungen in der Innenstadt von Kaliningrad mit Flechten und Baumrinde In diesem Zusammenhang sind die Aufgaben des Projektes: 1. Durchführung einer Flechtenkartierung in der Innenstadt von Kaliningrad; 2. Untersuchung des Chlorophyllgehalts der Flechte Parmelia sulcata, um Schwankungen physiologischer Parameter zu ermitteln; 3. Untersuchung chemisch-physikalischer Eigenschaften der Baumrinde.

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7 Flechtenkartierung 7 Umriss der Stadt Kaliningrad mit Kennzeichnung der untersuchten Flächen

8 Umriss der Kaliningrader Gebiete mit Kennzeichnung der untersuchten Messflächen 8

9 9 Messfläche in der Umgebung der Siedlung Gastellowo Insgesamt 120 Bäume folgender Spezies wurden untersucht: Fraxinus excelsior L. (36 Bäume), Tilia cordata Mill. (23), Populus alba L. (4), Acer platanoides L. (50), А. pseudoplatanus L. (3), A. saccharinum L. (2), A. negundo L. (2). Der Mittelstamm der Bäume wurde mit jeweils vier Gitterstreifen in einer Höhe von 1,5 m an den Hauptexpositionen (Nord, Ost, Süd, West) bestückt. Die Gitterstreifen bestehen aus fünf quadratischen Feldern mit jeweils 10 cm x 10 cm Kantenlänge.

10 Chlorophyllgehalt von Parmelia Sulcata An jeder Messfläche wurde von Parmelia sulcata 5 mm des Thallusrandes entnommen. Im Labor wurde das gesammelte Material von Schmutz befreit und die Flechtenproben wurden für einen Tag bei Raumtemperatur getrocknet. Das Flechtenmaterial (20 mg) wurde in 10 ml Dimethylsulfoxid (DMSO) extrahiert. Reagenzgläser mit der oben genannten Zubereitung wurden verschlossen und bei 65 C für 40 Minuten unter ständigem Rühren inkubiert. Das Extraktionsverfahren und die Berechnung des Chlorophyllgehalts wurden nach BARNES (1992) vorgenommen. Die Lichtabsorption der Extrakte wurde mit einem Spektralphotometer (Shimadzu UV-3600) bei einer Wellenlänge von 665 nm und 648 nm gemessen. Die Ergebnisse wurden in μg/mg Trockengewicht (TG) des Thallus angegeben. Parmelia sulcata Die Prüfgläser mit Chlorophyllextrakt Chlorophyll (а)=14,85 OD 665 5,14 OD 648 Chlorophyll (b)=25,48 OD 648 7,36 OD

11 Untersuchung chemisch-physikalischer Eigenschaften der Baumrinde 11 Um die Auswirkungen der Luftverschmutzung über die chemisch-physikalischen Eigenschaften der Baumrinde zu ermitteln, erfolgte eine Entnahme von Rindenproben jedes kartierten Baums auf jeder Messfläche. 120 Proben wurden auf einer Höhe von 150 bis 180 cm über dem Erdboden an 8 bis 12 Stellen, um den Baum herum (je 2 bis 3 mm dicke Streifen), entnommen. Die Proben wurden bei Raumtemperatur getrocknet, von Epiphyten befreit und in einer Kaffeemühle zu einem Pulver gemahlen. Für die weitere Analyse wurde ein wässriger Extrakt hergestellt. Dafür wurde 1 g Baumrinde in einem Kunststoffbecher mit 40 ml destilliertem Wasser mit einer Leitfähigkeit von 2,3 µs/cm vermischt und für 24 Stunden bei Raumtemperatur mit einem Magnetrührer gerührt. Anschließend wurden die elektrische Leitfähigkeit (µs/cm) und der ph-wert des ungefilterten Extrakts gemessen. Die Leitfähigkeit wurde mit Hilfe des Leitfähigkeitsmessgeräts (HM DIGITAL EC-3) bestimmt. Für die ph-analyse wurde ein ph-meter (S50 SevenMulti Mettler Toledo) benutzt. Das ungefilterten Extrakts

12 Zur Bestimmung der Nitrat-, Nitrit- und Ammonium-Konzentration wurden die Extrakte zunächst durch ein Nylontuch gefiltert, um große Partikel zu entfernen. 12 Zum Entfernen von Farbe und Trübung wurde zu 15 ml des Filtrats eine Suspension von Aluminiumhydroxid als Adsorbens hinzugefügt. Die Menge des Adsorbens betrug zwischen 3 und 10 ml, abhängig von der Intensität der Farbe des wässrigen Extrakts. Nach dem Rühren wurde das Extrakt mit dem Adsorbens bei min-1 für 10 min zentrifugiert. Extrakt Extrakt + Al(OH) 3 Extrakt nach der Zentrifugation

13 Danach wurden Ammoniumgehalt (mittels Neßlers-Reagenz), Nitritgehalt (durch Reaktion mit Sulfanilsäure) und Nitratgehalt (durch Reaktion mit Natriumsalicylat) spektrophototometrisch ermittelt. 13 Ammonium Nitrat Nitrit Extrakt nach der Zentrifugation Extrakt + Nesslers -Reagenz Extrakt + Natriumsalicylat Es konnten nur 113 Proben vermessen werden, da sieben Extrakte nach Zusatz des Neßlers- Reagenz trüb und damit unbrauchbar wurden. Die Berechnung der Nitrat-, Nitrit- und Ammonium-Konzentrationen erfolgte mittels einer Kalibrierungskurve. Es folgte die Umrechnung in µg pro mg Trockengewicht. Extrakt + Sulfanilsäure Der Gesamtgehalt löslicher Stickstoffverbindungen in der Baumrinde wurde durch Summierung der Gehalte von Ammonium, Nitrat und Nitrit überschlägig ermittelt.

14 Statistische Auswertung 14 Die Daten wurden mit Hilfe des Programms IBM SPSS Statistics 23 Base statistisch bearbeitet. Signifikante Unterschiede zwischen den Werten wurden mit nichtparametrischen Tests (Kruskal-Wallis-Test, Mann-Whitney-U-Test) bestimmt. Zusammenhänge zwischen den untersuchten Parametern sowie ihrer Stärke und Richtung ließen sich mit Hilfe der zweiseitigen Korrelationsanalyse nach Spearman (Rangkorrelationskoeffizient r s ) ermitteln.

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16 Flechtenkartierung 16 Tabelle 1: Ergebnisse der Flechtenkartierung sowie der Bestimmung des Chlorophyllgehalts in Parmelia sulcata F-14 bis I-16: Stadtzentrum Kaliningrad; HB-1: Messpunkt am Stadtrand Selenogradsk am Fuße der Kurischen Nehrung; HB-2: Messpunkt in der Umgebung der Siedlung Gastellowo der Rajon Slawsk im Kaliningrader Gebiet Quadrat Anzahl Referenzarten Anzahl Eutrophieru ngszeiger FDW Ref FDW Eu LGI Mittlerer Chl-Gehalt in µg/mg TG F ,9 79,9 1.Е5 3,42 ± 0,54 0,75 ± 0,07 G ,1 69,7 1.Е5 3,41 ± 0,65 0,72 ± 0,07 G ,9 91,6 1.Е5 2,94 ± 0,54 0,57 ± 0,19 G ,9 80,4 1.Е5 3,45 ± 0,58 0,72 ± 0,16 H , Е5 2,64 ± 0,48 0,54 ± 0,14 H ,8 77,3 1.Е5 3,17 ± 0,67 0,77 ± 0,18 H , Е5 3,55 ± 0,57 0,63 ± 0,14 I ,4 71,8 1.Е5 3,73 ± 0,45 0,70 ± 0,11 I ,8 73,9 1.Е5 3,42 ± 0,67 0,74 ± 0,17 I ,8 1.Е5 3,61 ± 0,62 0,73 ± 0,09 HB ,2 37,4 4.Е4 1,55 ± 0,40 0,44 ± 0,10 HB ,6 52,7 3.Е5 2,05 ± 0,45 0,47 ± 0,12 Chl a Chl b

17 17 Flechtenkartierung 4.E4 3.E5 Umriss der Kaliningrader Gebiet mit Kennzeichnung der untersuchten Messflächen Umriss der Stadt Kaliningrad mit Kennzeichnung der untersuchten Flächen und der mittels Flechtenkartierung resultierenden Luftgüteindizes

18 18 Neue Friedhof 3 E5 Indexwert und Farbe Bewertung der Luftgüte Gießen 5 sehr hohe Marburger Str. 4 hohe 1 E5 3 mäßige Rodheim Str. 1 E5 Hallenbad Ringallee 2 E5 Park am Schwanenteich 1 E5 Grünberger Str E5 Grünberger Str E5 Clevelandstr. 2 E5 2 geringe 1 sehr geringe Indexwert E5 E4 Einfluss eutrophierender Luftverunreinigungen sehr stark stark E3 mäßig 3 E5 E2 gering Alter Friedhof Philosophicum I E1 sehr gering N S Friedrichstr. 3 E5 Heinrich- Buff-Ring 3 E5 Heegstrauchweg 1 E5 2 E5 Flechtenkartierung in Stadt Gießen (2015) Windisch, U.; Pungin, A.; Meckel, T. (2016): Wirkungen von Verkehrsbelastungen auf die Flechtendiversität sowie den Stickstoff- und Chlorophyllgehalt von Parmelia sulcata in Hessen. Gefahrstoffe - Reinhaltung der Luft 76. Nr. 4, S

19 Chlorophyll-a-Gehalt von Parmelia sulcata 19 Mittlerer Chlorophyll-a-Gehalt von Parmelia sulcata mit unterschiedlichen Luftqualitätsindexwerten. Werte, die den gleichen Index tragen, sind statistisch (p > 0,05) nicht unterschiedlich.

20 Chemisch-physikalische Zusammensetzung der Rinde 20 Tabelle 2: Chemisch-physikalische Eigenschaften von Baumrinde in der Innenstadt Kaliningrads Werte, die den gleichen Index tragen, sind statistisch (p > 0,05) nicht unterschiedlich (Mann-Whitney-U-Test); n 1 : Zahl der Proben für die Bestimmung der Leitfähigkeit und des ph-werts; n 2 : Zahl der Proben für die Bestimmung der Stickstoffverbindungen Mittelwert ± SD Mittelwert ± SD Baum- Gattung n 1 Leitfähigkeit in µs/cm ph n 2 Ammonium in µg/mg TG Nitrat in µg/mg TG Nitrit in µg/mg TG Summe in µg/mg TG Tilia ,0 ± 50,3 с 5,6 ± 0,4 b 23 0,187 ± 0,097 b 0,092 ± 0,043 b 0,006 ± 0,004 a 0,285 ± 0,103 b Fraxinus ,1 ± 79,6 a 5,8 ± 0,2 a 20 0,398 ± 0,266 a 0,290 ± 0,184 a 0,003 ± 0,004 ab 0,692 ± 0,415 a Acer ,1 ± 53,1 b 6,0 ± 0,3 a 53 0,142 ± 0,101 b 0,068 ± 0,048 c 0,003 ± 0,002 b 0,213 ± 0,135 c

21 21 Tabelle 3: Chemisch-physikalische Eigenschaften von Fraxinus-Rinde in Messflächen mit unterschiedlicher Luftqualität Werte, die den gleichen Index tragen, sind statistisch (p > 0,05) nicht unterschiedlich (Mann-Whitney-U-Test); n 1 : Zahl der Proben für die Bestimmung der Leitfähigkeit und ph-wert; n 2 : Zahl der Proben für die Bestimmung der Stickstoffverbindungen Mittelwert ± SD Mittelwert ± SD LGI n 1 Leitfähigkeit in µs/cm ph n 2 Ammonium in µg/mg TG Nitrat in µg/mg TG Nitrit in µg/mg TG Summe in µg/mg TG 1.E ,1 ± 79,6 a 5,8 ± 0,2 b 20 0,398 ± 0,266 a 0,290 ± 0,184 a 0,003 ± 0,004 a 0,692 ± 0,415 a 3.E ,2 ± 39,6 a 6,1 ± 0,1 а 9 0,229 ± 0,072 a 0,109 ± 0,036 b 0,003 ± 0,002 a 0,341 ± 0,092 b 4.E ,7 ± 63,8 a 5,4 ± 0,3 c 3 0,524 ± 0,089 a 0,171 ± 0,134 ab 0,006 ± 0,002 a 0,701 ± 0,211 a

22 Streudiagramm des Chlorophyll-a-Gehalts von Parmelia sulcata und des Nitratgehalts in der Rinde von Fraxinus 22

23 Es ist bekannt, dass epiphytische Flechten die notwendigen Nährstoffe vor allem aus dem von Baumstämmen abfließenden Regenwasser erhalten. Weiterhin erfolgt eine direkte atmosphärische Beaufschlagung von Nitrat aus der Atmosphäre auf die Flechtenthalli. Regen 23 NH 3 - / NH 4 + HNO 3 NH 3 / NH 4 + NOx

24 24 In unsere Arbeit erwies sich die Erfassung der Flechtendiversität, des Chlorophyll-a-Gehalts von Parmelia sulcata und der ph-wert von Baumrinde als geeignete Parameter zur Beurteilung der Luftqualität in der Stadt Kaliningrad. Die Durchführung von Bioindikator-Studien unter Verwendung von Baumrinde ist sehr zeitaufwändig. Die Ergebnisse lassen sich schwer interpretieren und erlauben keine Differenzierung der Luftgüte in den Gebieten. Wünschenswert ist, das Untersuchungsgebiet zu erweitern, um weitere Bereiche mit unterschiedlicher anthropogener Belastung zu untersuchen.

25 25 Die Arbeit wurde durch die finanzielle Unterstützung der Baltischen Föderalen Immanuel-Kant-Universität im Rahmen des Programms für Steigerung der Konkurrenzfähigkeit (5Top100) durchgeführt.

26 Artem Pungin Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Eisvogel auf einem Ast mit Flechten