DIE KONTAMINATION VON MIKROALGEN MIT EINIGEN UMWELTBÜRTIGEN SCHADSTOFFEN

DIE KONTAMINATION VON MIKROALGEN MIT EINIGEN UMWELTBÜRTIGEN SCHADSTOFFEN H.D. Payer, K.H. Runkel, H. Kunte, H. Gräf, E. Stengel, H. Mohn und A. Polsiri Gesellschaft für Strahlenund Umweltforschung mbH, München Abteilung für Algenforschung und Algentechnologie, Dortmund Alle konventionellen und unkonventionellen Methoden der Nahrungsmittelproduktion stehen in mehr oder weniger enger Beziehung zur Umwelt: Natürliche Nahrungsketten und landwirtschaftliche Kulturpflanzen nehmen Chemikalien aus der Luft, aus Wasser und Düngemitteln und während der Verarbeitung auf und geben sie direkt oder über das Tier an den Menschen weiter. Zum Schutz des Menschen wird daher in zahlreichen Laboratorien nicht nur das Ausmaß der derzeitigen Schadstoffbelastungen festgestellt, sondern auch nach ihren Ursachen und nach Möglichkeiten zu ihrer Verringerung geforscht. Bei der Untersuchung dieser Zusammenhänge können unserer Meinung nach Mikroalgen eine Modellfunktion erfüllen: Diese pflanzlichen Organismen von der Größe roter Blutkörperchen werden - wie konventionelle Kulturpflanzen - unter natürlichen Klimabedingungen gezüchtet und kultiviert und sind bei ihrer Ernte modernen Techniken einer industriellen Nahrungsmittelproduktion unterworfen. Mikroalgen repräsentieren damit einen weiten Bereich landwirtschaftlicher Kulturtechnik. Ein methodischer Vorzug der Mikroalgen liegt in derTatsache,daß man ausden Kulturen ein Probenmaterial von unübertrefflicher Homogenität erhalten kann. Mikroalgen zeigen überdies ein sehr schnelles Wachstum, welches häufige Ernten innerhalb einer Vegetationsperiode erlaubt. Dadurch gelangt man in relativ kurzer Zeit zu der notwendigen Zahl von statistisch auswertbaren Daten, ein nicht zu unterschätzender Vorteil für die Ursachenanalyse der Schadstoffbelastung. Bedeutung gewinnen solche Untersuchungen aber insbesondere für 192 H. D. Payer et al. die Verfahren zur Produktion von Bioproteinen, im angelsächsichen Sprachbereich Single Cell Protein genannt. Bei diesen Verfahren sind die Kulturobjekte als Folge der notwendig starken Belüftung und der direkten und hohen Düngung einem ungewöhnlich intensiven Umweltkontakt ausgesetzt, wobei die Gefahr der Kontamination mit Schadstoffen besonders groß ist. Vor diesem Hintergrund haben wir in den vergangenen zwei Jahren zahlreiche Analysen verschiedener Schadstoffgehalte in Algenpulvern durchgeführt, welche nach dem Dortmunder Verfahren für Ernährungszwecke hergestellt worden waren. Hierbei (Stengel 1970) werden die Algen mehrere Tage lang unter natürlichen Lichtund Klimabedingungen im Freiland kultiviert: Frischwasser, Nährsalze und Kohlensäure dienen als Substrate und Kulturmedium, welches in ovalen Becken kontinuierlich umgewälzt wird. Die Ernte erfolgt über Zentrifugen, wonach der Algenschlamm durch Erhitzen verdaulich gemacht und getrocknet wird. Für unsere Untersuchungen wurden die Algen in Dortmund und an zwei verschiedenen Orten in Thailand kultiviert, um standortbedingte Schadstoffbelastungen kennenzulernen. Außerdem wurden die Nährsalze teils in Form von Düngemitteln, teils als reine Chemikalien verabreicht. In einer Versuchsserie wurde Blei als Acetat in bestimmter Dosis den Algenkulturen zugegeben, um die Aufnahme in die Algen zu verfolgen (Briele 1973). Die analytische Bestimmung von Cd und Pb erfolgte mit Hilfe der Atomabsorptionsspektralphotometrie, nachdem die Algenproben im Muffelofen bei 4500 C verascht und die Algenasche im Säuregemisch aufgelöst und mit quarzdestilliertem Wasser verdünnt worden war (Runkel und Baak 1972). Die Bestimmung von Benzpyren und Fluoranthen erfolgte in den Hygieneinstituten der Universitäten Mainz und Erlangen, indem Benzolextrakte dünnschichtchromatographisch aufgetrennt und die eluierten polyzyklischen Kohlenwasserstoffe einzeln fluoreszenzphotometrisch erfaßt wurden (Kunte 1967). Insgesamt wurden 160 Proben untersucht. Die statistische Auswertung des Datenmaterials beschränkt sich vorläufig auf die Darstellung der Verteilungsfunktionen Kontamination von Mikroalgen 193 der einzelnen als einheitlich erkannten Populationen. Die Abb. 1 zeigt am Beispiel der Bleiwerte von Algen aus Nordthailand (Chiengmai), welche Artvon Verteilungsfunktion am häufigsten bei Schadstoffanalysen auftritt: Es werden im allgemeinen keine Normalverteilungen, sondern linkssteile, asymmetrische Verteilungen gefunden. Wir haben hierbei die verschiedenen Möglichkeiten der statistischen Auswertung einer solchen Population mit dargestellt (Mittelwert, Median, Dichtenmittel), um zu zeigen, daß eine übliche Mittelwertsbildung zu einer nicht ganz korrekten Beurteilung führen würde: Wird der durchschnittliche Bleigehalt dieser Algenpopulation nach dem Mittelwert beurteilt, so würde damit den wenigen hohen Werten mehr Bedeutung zugemessen als der Mehrheit der mittleren Werte. Eine sachgerechte Beurteilung erlaubt dagegen der Medianwert, d.h. jener Wert, oberhalb und unterhalb dessen je 50% aller Meßwerte liegen. Seine Lage wird von Extremwerten aus dem unteren oder oberen Bereich der Schadstoffgehalte nur unwesentlich beeinflußt. 45 | j 650 ‘ ra] + 69 * y { a sg 904 5 iS = ~ N | 807 x \ 5‘ \ a = \ & 60} 3 \ vo ic \ »t- ; u PIE ao oe N 5 = aN E 2% N E N N = i b~ B 10} reel $ x ! 2 6 V2 ayaa renee 7 yee aa Lem) 31204 Eppmil = | Bleigehalt der Algentrockenmasse (Klassenobergrenze) 2 5 46 8 © 12 [ppm] Bleigehalt der Algentrockenmasse Abb. 1 : Die Häufigkeitsverteilung der Bleigehalte von Algen aus Chiengmai (Thailand) Abb. 2 : Die lognormale Häufigkeitsverteilung der Bleigehalte von Algen aus Chiengmai im Wahrscheinlichkeitsnetz (Ordinate geteilt nach dem Gauß ’schen Integral, Abszisse logarithmisch geteilt) 194 H.D. Payer et al. Für die weitere Analyse ist es nun von Bedeutung, welchem Verteilungstypus die Häufigkeitsfunktion unserer Wertepopulation angehört: Die naheliegendste Prüfung ist ein Test auf logarithmisch normal verteilte Werte; eine lognormale Verteilung wird nämlich immer dann vorgefunden, wenn ein unterer oder oberer Grenzwert nicht unterbzw. überschritten werden kann (Sachs 1968). Dies kann man für Schadstoffgehalte exogenen Ursprungs erwarten. Die Prüfung auf lognormale Verteilungen geschieht am einfachsten graphisch durch Darstellung der Werte bzw, Werteklassen im logarithmischen Wahrscheinlichkeitsnetz (Abb. 2). Der lineare Verlauf einer solchen Graphik bestätigt das Vorliegen der vermuteten lognormalen Verteilung, der Schnitt mit dem 50%-Ordinatenwert repräsentiert den Medianwert der Population. Nahezu alle von uns ermittelten Schadstoffgehalte in Algenpulvern folgen einer solchen Verteilungsfunktion, so daß es angebracht ist, die verschiedenen Populationen nicht an Hand der Mittelwerte sondern der Medianwerte zu vergleichen. In der folgenden Darstellung (Abb. 3) sind nun alle von uns bestimmten Bleigehalte von Algenproben wiedergegeben, und zwar getrennt nach Herkunft der Algen. In der unterschiedlichen Lage der drei Geraden kommen standortbedingte Unterschiede der Luftverschmutzung zum Ausdruck: Dortmund am östlichen Rand des Ruhrgebiets ist in luftanalytischen Untersuchungen als besonders schadstoffbelastet ausgewiesen (Werner 1974), was durch die hohen Bleigehalte unseres Produkts hinreichend bestätigt wird. Produkte aus Bangkok sind, vermutlich durch die extrem hohe Kraftfahrzeugdichte der Stadt, ebenfalls noch relativ stark mit Blei belastet, während Algen aus den ländlichen Bezirken von Chiengmai, 700 km nördlich von Bangkok, bei gleichen Klimabedingungen einen verhältnismäßig niedrigen Bleigehalt aufweisen. Bei der Ursachenanalyse der Daten stießen wir zunächst auf jahreszeitliche Unterschiede: Während der warmen Jahreszeit von Mai bis August, wenn die Tage lang sind, findet man sehr viel mehr schadstoffarme als schadstoffreiche Proben, in den kühleren Monaten mit kurzen oder stark bewölkten Tagen ist das Verhältnis umgekehrt. Häufgkeitsummen in *% der Gesamtheit, einer Population Kontamination von Mikroalgen 195 [ppm] N 200) © 2 10 | . | £ . st f ce | ” y u | » vu ‘ or a 2 “i < N st3 F 5 hs San ° ° . a 4 : a a % > x ; | | j y 5 \ e SIN a / : iS | 0 2. oN | 3 2 j 107 5 f / 2 ?° ‘ | | . A a = | | : |& 10 x | 2 ‚a N | i L ne du 4 6 8 0 2 “ee BO ‘por? 2: 2 468 10 2 [gm%c13 Bleigenalt der Algentrockenmasse Wachstumsleistung der Algen Abb. 3 : Die Verteilungsfunktionen der Bleigehalte von Algen aus Chiengmai, Bangkok und Dortmund Abb. 4: Die Abhängigkeit des Bleigahalts Dortmunder Algen von der Wachstumsintensität während der Kultur Die eigentliche Ursache für diese klimaabhängigen Unterschiede der Bleiakkumulation zeigt die folgende Graphik (Abb.4): Wir finden hier eine umgekehrte, doppelt-logarithmische Proportionalität zwischen dem Bleigehalt und der Wachstumsintensität der Algen; diese wird primär beeinflußt durch Klimafaktoren wie Temperatur und Lichtgenuß bzw. Tageslänge: je schneller die Algen in Abhängigkeit von solchen tagesund jahresperiodischen Klimaschwankungen wachsen, um so weniger Blei wird darin gefunden. In dieser Abbildung ist auch noch auf eine weitere Tatsache aufmerksam zu machen: extrapolieren wir die Funktion auf den Bleigehalt beim Wachstum von gm”? A dann entspricht der Bleigehalt dieses einen Gramms Algen derjenigen Bleimenge, die im Durchschnitt täglich auf der Fläche von 1 qm von den Algen aufgenommen wird: das sind 196 H.D. Payer et al. 0,3-0,4 mg: m2. ant. Eben diesen Wert ergeben auch direkte Immissionsmessungen am Standort Dortmund. Die Schlußfolgerungen hieraus sind solgende: 1.) Praktisch das gesamte Blei der Dortmunder Algen stammt ausder Luft, 2.) die Algen sind offenbar in der Lage, diese Bleiimmissionen vollständig aufzunehmen. Daß diese vollständige Bleiaufnahme innerhalb weniger Stunden erfolgen kann, wurde experimentell überprüft, indem man dem Kulturmedium 500 pell Bleiacetat zugegeben und die Kinetik der Bleiakkumulation in den Algen verfolgt hat (Briele 1973). Nachdem wirnun am Beispiel des Bleis gezeigt haben, wie es in unterschiedlichem Ausmaß zu Verunreinigungen der Algen mit diesem Schadstoff ausder Luft kommt, sollen im folgenden kurz einige Ursachen für die Akkumulation eines weiteren Schadstoffs aufgezeigt werden: Die Verunreinigung der Algen mit Cadmium (Abb. 5). Bei der Aufnahme dieses Schadstoffs werden generell die gleichen Faktoren wirksam wie im Falle des Bleis: die klimaabhängige Wachstumsintensität und die Verweildauer der Algen in der Kultur führen im Prinzip zu denentsprechenden Häufigkeitsverteilungen nach Maßgabe der jeweiligen Luftverschmutzung am Kulturort: In Thailand wird weniger Cadmium in den Algen gefunden als in Dortmund. Zu den Cadmiumniederschlägen aus der Luft kommt nun aber noch eine weitere bedeutende Cadmiumquelle hinzu: Sie besteht in den Düngemitteln, welche bekanntermaßen als Verunreinigung Cadmium enthalten, das größtenteils aus den Phosphaten stammt (Kropf et al. 1968). Algen, die mit reinen Chemikalien kultiviert worden sind, enthalten sehr viel weniger Cadmium als mit Düngemitteln gezüchtete Algen, Zum Schluß sollen noch zwei Beispiele für Verunreinigungen der Algen mit polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen mitgeteilt werden: Die sehr stark standortabhängige Belastung der Algen mit dem cancerogenen 3, 4-Benzpyren und mit dem nicht-krebserregenden Fluoranthen (Abb. 6). Im Falle des Benzpyrens beträgt der Unterschied zwischen den Algenpopulationen aus Dortmund und Thailand fast das 40-fache, und er dürfte wohl ausschließlich auf lokale Unterschiede der Luftver- ISSDWUSYIOHNUSBIY JaP NDYaDUSyJUDIoN]Z oz oot 08 098 or oz (19296 yasıwyyıı gr) -eBo| s} yoda. ‘yeaul| syul] a assizsqy) punwiiog sne pun puejleyj sne (wa uaatpuluoubo}) uably uoA ajjeyabuayiue =a -10N|4 Jap uauolyuny -sbunjlalis\ al :L'QQV 197 z g g 8 ualjex!wayd uaulad lu 'mzq uja} -wabung WW 4INijN>| Jap yoeu punwis0q sne pun puejiey) sne uabjy uon aijeyabuuniwped Jap uauolNyunssßunjlallsA aig :G‘qqy (WiePaA}DWOU) lot PupoyL \ esspuuexsa;jUaBly Jap NDyaßwnıupny [wi] 7 z | 80 90 70zo = R ueyquDon}s ee "le asspwuayr0ijUably Jap yoyusbuesAdzueg -4'¢ [64/67] oo 08 09 05 O7 OF oz M6RLIS % €z t goL0 8 WeuwDsad Jap »%, ul Uawwnss}!2451jNDH 2 \ UernDyWeYy NW PRlweßung zw pupyl N\pupyouL I66 JaniueBung yu punwuog % Kontamination von Mikroalgen I ei | | | UoRDINdog Jule }lay;WDSa9g Jap %, UI UaWUNSs}exH14NDH | SR SEHR oS 5 2 WeUWDsad Jap *, Ul UaWWNSs}19451jNDH punw0q | sne pun pupjley | sne uably uon arjeyaßusıAdzuag-y’g sap uauolyuNjsbunjie1eA aq :9°qqV 198 H. D. Bayer et/alt schmutzung zurückzuführen sein. Die Werte aus Thailand unterschreiten dabei die niedrigsten in Deutschland gemessenen Werte oberirdischer Pflanzenteile um das 2bis 10-fache (Schmidt 1969; Graf und Diehl 1966). Mit diesem Befund wird wieder die Frage aktuell, ob und in welchem Ausmaß eine endogene Synthese solcher Polyzyklen durch die Pflanzen selbst erfolgt. Borneff und Mitarbeiter (1968) haben zwar mit Radioisotopen die Fähigkeit von Mikroalgen zur Biosynthese von 3,4-Benzpyren und anderen polyzyklischen Aromaten qualitativ nachgewiesen. Die lognormale Häufigkeitsverteilung unserer Daten spricht aber für einen exogenen Ursprung dieser Substanzen. Eine Ausnahme von diesem Verteilungstypus machen nicht-cancerogene Kohlenwasserstoffe, deren Häufigkeitsfunktionen, soweit die Werte aus dem noch wenig verschmutzten Thailand stammen, einer Normalverteilung folgen (Abb. 7). Eine solche Normalverteilung, wie hier im Falfe der Fluoranthenwerte aus Thailand, steht in Übereinstimmung mit der Vorstellung,daß es sich hier um die Akkumulation einer Substanz handelt, die von den Pflanzen selbst synthetisiert wird. Bei konsequenter Anwendung dieses Interpretationsschemas und auf ud dersehr viel höheren Schadstoffgehalte von Pflanzen deutscher Standorte kommt man zu dem Schluß, daß die Luftverschmutzung mit diesen Stoffen in Mitteleuropa und zum Teil auch in anderen Teilen derWelt bereits so groß und allgemein ist, daß die natürlichen Schadstoffpegel von anthropogenen Verunreinigen weitgehend überlagert werden und oft gar nicht mehr nachweisbar sind. Die Bedeutung unserer Befunde liegt nun vor allem darin, daß es gelungen ist, das Zusammenwirken von Umweltverschmutzung, von Klimafaktoren, der Kulturtechnik und endogener Reaktionen der untersuchten Pflanzen bei der Schadstoffakkumulation nachzuweisen. Im übrigen beweisen die vorgelegten Daten, daß die Akkumulation von Schadstoffen durch Mikroorganismen, die als Bioproteine der Nahrungsoder Futtermittelgewinnung dienen sollen, fast ausschließlich auf äußere Ursachen zurückgeführt werden kann. Im Gegensatz zu einigen in letzter Zeit geäußerten Vorbehalten oder gar Warnungen Kontamination von Mikroalgen 199 (Wagner und Siddiqi 1973; Wagenfiihr 1974) vor solchen mikrobiellen Proteinträgern zeigen unsere Untersuchungen (Tabelle), daß es bei geeigneter Wahl von Standort und Kulturtechnik sehr wohl gelingt, aus Mikroalgen ein nahrungsmittelhygienisch einwandfreies Produkt zu erzeugen, das bei zweckentsprechender Anwendung konventionellen Nahrungsmitteln ebenbürtig oder in mancher Hinsicht sogar überlegen sein kann. Unsere Untersuchungen unterstreichen aber auch die Notwendigkeit einer Kontrolle von Produktionstechnik und Produkt im Hinblick auf dessen Einsatz in der Ernährung. Dies gilt nicht nur für unkonventionelle Proteinträger, sondern auch für Kulturpflanzen der konventionellen Landwirtschaft. Gemüse u.Blätter ie Mikroalgen Schadstoff | aus (Nord-) Thailand aus Deutschland KB Median %0°%-Ber. | Normalbereich laut Literatur Blei [mg/kg 6 ca-10)| 3-20 Bro 1971 Cadmium [mg/kg] 0,35 ( 02-06 ) 1-3. Rosmanith 1972 34-Benzpyren |[palkgy 1,4 ¢ o9-23)| 10-20 Grat uvient i966 Fluoranthen |palkg] 91 (15-160) [100-400 rata neni = Tabelle: Vergleichder Schadstoffgehalte von Algen aus Thailand mit Gemüse und Blättern aus Deutschland LITERATUR BORNEFF', J., BRD, BRIELE, E., F. SELENKA, H. KUNTE and A. MAXIMOS, 1968: Experimental Studies on the Formation of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons in Plants. Environmental Research 2, 22 - 29 1971: Deutscher Bundestag: Materialien zum Umweltprogramm der Bundesregierung, Drucksache Vila 10/2 1973: Die Akkumulation von Blei durch planktische Griinalgen, Staatsexamensarbeit, Universitat Bochum 1973