Bioindikation
Manfred Meurer, Karlsruhe
1. Einführung
Bioindikation ermöglicht die zeitlich integrierende Kontrolle von Zuständen der biotischen Umwelt. Basierend auf der Kenntnis, dass Pflanzen- und Tierarten für ihr Wachstum spezielle Anforderungen an die Standortqualität besitzen, können durch Verschiebungen von Standortfaktoren Belastungen und Vitalitätseinbußen herbeigeführt werden. Die Arten, die sehr spezifisch auf derartige Belastungen reagieren, können gezielt als Bioindikatoren eingesetzt werden. Als problematisch für ihren Einsatz gilt aber, dass sie am Wuchsort durch komplex wirkende Faktorengruppen beeinträchtigt werden. So sind ihre Reaktionen sehr viel schwieriger zu bewerten als exakt definierbare Laboranalysen. Die Abbildung 1 zeigt verschiedene Formen von Bioindikatoren: Neben Zeigerarten gibt es Testorganismen, die als Indikatoren im Labormaßstab fungieren. Beim Monitoring lässt sich grundsätzlich ein passives und ein aktives Monitoring unterscheiden. Mit ersterem Verfahren zieht man Organismen heran, die bereits im jeweiligen Ökosystem vorhanden sind. Dagegen wird beim zweiten Konzept auf spezielle Arten gesetzt, die in standardisierter Form gezielt ins Ökosystem eingebracht werden. Hierbei handelt es sich um ein arbeits- und kostenintensives Verfahren. Man unterscheidet beim Monitoring weiterhin die Bioindikation mit Reaktionsindikatoren (Organismen, die durch Einwirkung von Schadstoffen in ihrer Entwicklung beeinträchtigt oder abgetötet werden) von der Bioindikation mit Akkumulationsindikatoren (Organismen, die Schadstoffe teilweise oder vollständig metabolisieren und in ihren Geweben anreichern). Bei der Reaktionsindikation können Schwierigkeiten auftreten, wenn bei unterschwelligen Schadstoffdosen keine eindeutigen Schadsymptome vorliegen, obwohl physiologische Beeinträchtigung schon erfolgt sein können und damit auch bereits eine Vitalitätseinbuße gegeben sein kann. Dieses Phänomen kann beim Einsatz von Reaktionsindikatoren nicht erfasst werden, da explizit äußerlich sichtbare Symptome – wie z.B. Blattnekrosen beim Tabak – als Schadmerkmal gelten. Außerdem zeigt sich gerade bei der Reaktionsindikation in hohem Maße die Bedeutung eines interdisziplinären Wissens, denn viele abiotische und biotische Faktoren können ähnliche Symptome wie beispielsweise Luftschadstoffe hervorrufen. Beim Einsatz von Akkumulationsindikatoren können die in Pflanzen und Tieren in einem vorgegebenen Expositionszeitraum gespeicherten Schadstoffe identifiziert und durch rückstandsanalytische Verfahren auch quantifiziert werden. Als Analyseverfahren dienen z.B. AAS, Polarograph, ICP/MS. Um aussagekräftige Resultate erzielen zu können, sind bestimmte Anforderungen an Reaktions- und Akkumulationsindikatoren zu stellen ( Abb. 2).
2. Flechten als Bioindikatoren
Bereits seit mehr als 100 Jahren ist die Wirkung von Luftverunreinigungen auf die Vitalität von Flechten bekannt. So konnte man 1859 nachweisen, dass die Flechtenflora von Manchester artenärmer war als die weniger stark industrialisierter Städte. Ein aktives Monitoring mit Flechten erfolgte schon 1891 in München. Aufgrund ihrer Physiologie und Anatomie eignen sich Flechten weniger, um akute Belastungen nachzuweisen, sondern reagieren vielmehr sensibel auf chronische Belastungen. Ihre spezielle Eignung als Bioindikatoren erwächst ihnen aufgrund des geringen Chlorophyllgehalts mit niedriger Stoffwechselrate, ihres langsamen Wachstums und ihrer begrenzten Regenerationsfähigkeit. Als poikilohydre Arten sind sie abhängig von Niederschlag und Luftfeuchte. Ferner verfügen sie weder über Cuticula noch über Exkretionsmöglichkeit und Laubwechsel. Flechten sind somit geeignete Zeigerpflanzen für ein passives Monitoring. Wesentlich ist dabei auch ihre artspezifische Sensitivität auf Immissionen von Luftschadstoffen. Bereits recht frühzeitig ist hierbei die Bedeutung von Schwefeldioxid erkannt worden. Ähnliches gilt für andere saure Gase, aber auch für saure Niederschläge insgesamt. Bei vergleichender Betrachtung erweisen sich die Bartflechten am empfindlichsten, die Krustenflechten als dagegen relativ resistent gegen saure Immissionen. In Ballungszentren fehlen infolge von hohen Immissionswerten Flechten häufig ganz (Flechtenwüste). Als Maß für die Luftgüte gilt der Luftreinhalteindex IAP (Index of Atmospheric Purity):



wobei Q=Toxitoleranzfaktor einer Art i (ergibt sich aus der mittleren Zahl der Begleitarten der Art i an allen Probeflächen), f= Frequenz der Art i an der betrachteten Probefläche, welche sich aus einer Kombination aus Deckungsgrad und Häufigkeit ergibt, n=Anzahl der Arten). Je höher die Zahl der Flechtenarten an einer Station ist, desto größer ist der IAP-Wert bzw. umso niedriger ist die Immissionsbelastung des Standortes. Anhand der VDI-Richtlinie 3799 Blatt 1 wurde dieses Verfahren in modifizierter Form standardisiert. Es stützt sich auf die Analyse epiphytischer Flechtenarten und ermittelt über eine modifizierte Berechnungsformel den Luftgütewert (LGW). An ausgewählten Trägerbäumen wird ein Aufnahmegitter mit 10 Feldern von jeweils 10 cm×10 cm angelegt. Danach wird für alle in der Richtlinie aufgeführten Flechtenarten die Frequenz bestimmt. Aus der Summe der Frequenzen aller Arten wird schließlich die Frequenzsumme ermittelt. Aus dem arithmetischen Mittel der Frequenzsummen aller Bäume wird der Luftgütewert eines Standortes berechnet. Unter Berücksichtigung der mittleren Standardabweichung aller Messflächen werden für eine kartographische Darstellung Luftgüteklassen (LGK) abgegrenzt.
Das Verfahren der standardisierten Flechtenexposition mit der Blattflechte Hypogymnia physodes wird in der VDI-Richtlinie 3799 Blatt 2 dargestellt. Danach kann man, bei fehlenden Voraussetzungen für das passive Monitoring, das aktive auswählen. Dazu werden an gefällten Bäumen (v.a. Eichen) mit flechtenbewachsener Rinde Proben mit einem Durchmesser von 4 cm ausgestanzt, die unter immissionsarmen Bedingungen akklimatisiert und im Herbst für ein Jahr auf den Testflächen exponiert werden, und zwar auf Flechtentafeln oder -rädern. Die Räder erlauben je nach Windverhältnissen eine Exposition in die jeweilige Richtung. Zu Beginn und am Ende der Exposition werden Dias der Exponate erstellt. Darauf basiert die Erfassung der geschädigten (gebleichten) Thallusfläche. Die Resultate erlauben einen qualitativen Vergleich der Immissionsbelastung. Die Abbildung 3 zeigt die Ergebnisse von Flechtenkartierungen in Innsbruck (Larcher, 1994).
3. Moose als Bioindikatoren
Die Kartierung der Moosflora eines Gebietes gibt konkrete raumbezogene Hinweise auf die Präsenz bzw. das Fehlen von Arten. Aus diesen Kenntnissen können entsprechende Rückschlüsse auf die Luftgüte des Untersuchungsgebietes gezogen werden. Ähnlich wie bei Flechten ist ferner die Berechnung eines Luftreinhalteindexes (IAP) möglich. Die Eignung von Moosen als Akkumulationsindikatoren ist mehrfach eindeutig nachgewiesen. Dabei lassen Analysen an älterem Material (aus Herbaren) erkennen, dass die Schwermetall-Grundbelastung in den letzten Jahren im Mittel angestiegen ist. Gerade in der Nähe industrieller Ballungsräume wurden maximale Konzentrationen an Schwermetallen nachgewiesen, aber auch an PAK und PCB, während DDT vor allem in tropischen Regionen mit intensiver Landwirtschaft nachgewiesen werden konnte. Verschiedene Verfahren sind speziell für den Einsatz von Moosen im aktiven Monitoring entwickelt worden wie Transplantation, Exposition in Nylon-Haarnetzen oder Exposition in Testkammern mit und ohne Luftfilter. Höchst interessante Ergebnisse zeigten dabei flächendeckende Analysen der Schwermetalldeposition in Deutschland und Osteuropa. Dazu wurden 1991/92 in Deutschland, Polen, der Tschechischen Republik sowie der Slowakischen Republik an 831 Standorten Moosproben (Pleurozium schreberi, Scleropodium purum, Hypnum cupressiforme, Hylocomium splendens, Polytrichum formosum und Dicranum scoparium) gesammelt und auf Schwermetalle (Cd, Cr, Cu, Ni, Pb und Zn) hin analysiert. Den Resultaten – in Form von Isolinien wiedergegeben – kann man die sehr hohen mittleren Schwermetallgehalte in den osteuropäischen Ländern – mit einem Maximum in der Slowakischen Republik – zweifelsfrei entnehmen. Generell zeichnet sich dabei ein ansteigender Gradient der mittleren Schwermetallgehalte von West nach Ost ab. Trotz noch bestehender methodischer Mängel lassen sich dadurch aussagekräftige Befunde über die Zusammensetzung und die Bedeutung von Luftbelastungen aus industriellen Regionen, die zentrale Emissionsquellen darstellen, gewinnen. Dabei erweisen sich Nickel-Konzentrationen vielfach in der Nähe von Raffinerien und petrochemischen Industriestandorten als deutlich überhöht. Dagegen zeigt sich bei Bleikonzentrationen ein steiler West-Ost-Konzentrationseffekt, bedingt durch den unterschiedlichen Verbrauch von unverbleitem Treibstoff.
4. Pilze als Bioindikatoren
Höhere Pilze können in ihrem Fruchtkörper Schwermetalle akkumulieren, wobei der Eintrag über den Boden deutlich größer als über den Luftpfad ausfällt. Ursachen dafür sind das rasche Wachstum des Fruchtkörpers, das weite Verhältnis von Oberfläche zu Volumen sowie das ausgedehnte Mycel im Oberboden. Gründe für bislang fehlende standardisierte Verfahren für Pilze als Akkumulationsindikatoren sind: a) artspezifische Unterschiede der Akkumulation von Schwermetallen (um mehrere Dimensionen) sowie erhebliche Schwankungen bei der Einlagerung durch Individuen derselben Art und am selben Standort, b) die Tatsache, dass bestimmte Schwermetalle kaum über den Boden aufgenommen werden bzw. dass eine Korrelation zwischen dem Gehalt im Boden und im Fruchtkörper, z.B. bei Zink, oft nicht möglich ist, c) fehlende Kenntnis über Ausdehnung des Pilzmycels und d) synergistische Effekte beim Auftreten mehrerer Schwermetalle.
5. Höhere Pflanzen als Bioindikatoren
Der Eintragspfad kann hier sowohl über den Boden als auch über die Atmosphäre erfolgen. Bevorzugt hat man in der Vergangenheit auf den Luftpfad gesetzt und über den Einsatz von Einheitserde als Substrat (sog. Nullerde, die schadstofffrei ist) den Bodenpfad ausgeschlossen.
Trotz der zahlreichen Probleme bei der Indikation von Bodenbelastungen (Adsorption abhängig von Größe und Ladung der Ionen und Austauschkapazität des Bodens, mikrobielle Aktivität und Wurzelausscheidungen usw.) sollen dennoch einige Beispiele angeführt werden. So gilt z.B. das gelb blühende Galmeiveilchen (Viola calaminaria) auf Zink als die namensgebende Art der Schwermetallarten Mitteleuropas, die mit Schwermetallökotypen von Frühlings-Miere (Minuartia verna) und Aufgeblasenem Leimkraut (Silene cucubalus) vergesellschaftet ist. Zum Nachweis von Schwermetallakkumulation sind Leguminosen, wie z.B. Rot-Klee (Trifolium pratense), gut geeignet. Besonders oft erfolgt der standardisierte Einsatz des Reaktionsindikators Tabak (Nicotiana tabacum) der Sorte Bel W 3, der auf Ozon sehr empfindlich reagiert und Blattnekrosen ausbildet. Buschbohnen (Phaseolus vulgaris) der Sorte Pinto werden durch NO₂ geschädigt und zeigen Blattchlorosen. Gladiolen (Sorte Snow Princess) eignen sich für den Fluor-Nachweis (Chlorosen an Blattspitzen und -rändern), beispielsweise im Umfeld von Glashütten. Zur Erfassung von Photooxidantien eignet sich die Kleine Brennnessel (Urtica urens) (Nekrosen an der Blattunterseite). Für die Akkumulationsindikation hat sich in den letzten Jahren vor allem das Welsche Weidelgras (Lolium multiflorum) bewährt. Dazu wurde ein standardisiertes Verfahren entwickelt (VDI-Richtlinie 3792 Blatt 1-3). Es erlaubt den Nachweis von Anreicherungen mit Fluor oder Schwermetallen. Die Expositionsdauer beträgt in der Regel 14 Tage. Dagegen erlaubt Grünkohl (Brassica oleracea acephala) als Standardpflanze den Nachweis von PAK sowie von Dibenzodioxinen und Dibenzofuranen bei einer Expositionsdauer von 90-100 Tagen.
5.1 Laubbäume als Bioindikatoren
Eine längere Tradition hat der Nachweis von Luftbelastungen mithilfe von Laubbäumen. So eignen sich mehrere Arten als Reaktionsindikatoren, sie weisen Schadsymptome an Blättern auf: a) Spitz-Ahorn (Acer platanoides) zeigt bei Bor-Immissionen Blattchlorosen und -nekrosen, b) Schwarz-Pappel (Populus nigra), Zitter-Pappel (P. tremula) und Rot-Buche (Fagus sylvatica) sind SO₂-empfindlich und c) Klone von Hybrid-Pappeln verfügen über SO₂- bzw. O₃-Empfindlichkeit. Zur Akkumulationsindikation wurden vor allem die Blätter von Laubbäumen auf ihren Gehalt an Schwermetallen, Schwefel, Arsen oder Organika analysiert.
5.2 Nadelbäume als Bioindikatoren
Im Gegensatz zu Laubbäumen sind sie fast ausnahmslos ganzjährig den Immissionen ausgesetzt. Sie eignen sich häufig als Reaktionsindikatoren. So rufen SO₂-Immissionen vielfach Farbänderungen an den Nadeln von Weißtanne (Abies alba), Waldkiefer (Pinus sylvestris) und Fichte (Picea excelsa) hervor. Bei Ozoneinwirkung erweist sich die Weymouth-Kiefer als empfindlich. Als integrale Immissionswirkung kann der Benadelungsgrad von Baumkronen herangezogen werden, der die Wirkung verschiedener Luftbelastungen erkennen lässt. In geringerem Umfang werden sie auch als Akkumulationsindikatoren herangezogen, so z.B. über den Schwefelnachweis in Koniferennadeln zur Erfassung von SO₂-Belastung oder über Analysen zur Schwermetallbelastung von Nadeln.
6. Zusammenfassung
Letztlich bietet es sich bei der Bioindikation an, nicht über Einzelbefunde auf generelle Belastungen rückzuschließen, sondern vielmehr auf der Basis dieser gesamten Befunde zu einer Gesamtbetrachtung der Belastung des gesamten Ökosystems zu gelangen um frühzeitig Gefährdungspotenziale erfassen und abschätzen zu können. Um dieses Ziel erreichen zu können, müssen aber noch weitere Probleme gelöst werden: a)Kausalanalysen sind bei komplexen Wirkungsmechanismen äußerst schwierig, wie die Waldschadenserhebung erkennen lässt; b) Reaktionen der Testobjekte unter Stressbedingungen sind weitgehend ungeklärt und c) Standardisierungen auf der Ebene von Ökosystemen sind bislang nicht möglich. Ein erster Schritt in diese Richtung ist das Ökologische Wirkungskataster Baden-Württemberg, das seit 1983 als Frühwarnsystem installiert worden ist. Es soll die Gefährdung von Ökosystemen durch Schadstoffeintrag erkennen lassen und die Auswirkungen von Emissionsminderungsmaßnahmen belegen. Dazu wird sowohl aktives als auch passives Monitoring eingesetzt. Für das passive Monitoring wurden Dauerbeobachtungsflächen installiert. Sie sollen die Grundbelastung emittentenferner Räume aufzeigen. Dazu wurden 60 Flächen in naturnahen Waldökosystemen, 15 Grünlandflächen und 38 Standorte an weitgehend unbelasteten Fließgewässern ausgewählt, an denen Analysen abiotischer und biotischer Kompartimente realisiert werden. Aktives Monitoring erfolgt schließlich an 30 Messstellen mittels Klon-Fichten. Ferner werden an 20 Messstellen mithilfe ausgewählter Bioindikatoren Schäden durch Photooxidantien erfasst.
Der Trend der Bioindikation weist generell stärker in Richtung einer effizienteren Einbeziehung synökologischer Aspekte. Beispielhaft lässt sich eine Überwachung mitteleuropäischer Waldgesellschaften sowie der durch sie geprägten Landschaften anführen. Zunehmender Bedarf zeigt sich auch an einem geeigneten Monitoringverfahren für Stickoxide, an Konzepten der Bioindikation, die sich aus der nachgewiesenen CO₂-Erhöhung ergeben sowie aus einem Anstieg der UV-Strahlung. Weiterer Forschungsbedarf zeigt sich auch an einer stärkeren Standardisierung der im Rahmen der Bioindikation eingesetzten Untersuchungsverfahren auf nationaler und internationaler Ebene.

Lit: [1] ARNDT, U., NOBEL, W. u. SCHWEIZER, B. (1987): Bioindikatoren – Möglichkeiten, Grenzen und neue Erkenntnisse. – Stuttgart.
[2] LARCHER, W. (1994): Ökophysiologie der Pflanzen. – Stuttgart.
[3] MARKERT, B., HERPIN, U., BERLEKAMP, J., OEHLMANN, J., GRODZINSKA, K., MANKOVSKA, B., SUCHARA, I., SIEWERS, U., WECKERT, V. u. H. LIETH (1996): A Comparison of Heavy Metal Deposition in Selected Eastern European Countries Using the Moss Monitoring Method, With Special Emphasis on the "Black Triangle". The Science of the Total Environment. Jahrgang 193, Heft 2, S. 85-100.
[4] ZIERDT, M. (1997): Umweltmonitoring mit natürlichen Indikatoren. – Berlin, Heidelberg, New York.
[5] ZIMMERMANN, R.-D. u. R. UMLAUFF-ZIMMERMANN (1994): Von der Bioindikation zum Wirkungskataster. Zeitschrift für Umweltchemie und Ökotoxikologie, Bd. 6, S. 1-50.

Bioindikation 1: Bioindikation 1: Übersicht über die Nomenklatur in der Bioindikation.

Bioindikation 2: Bioindikation 2: Übersicht über die Anforderungen an Bioindikatoren.

Bioindikation 3: Bioindikation 3: Charakterisierung der zunehmenden Immissionsbelastung in Innsbruck und Umgebung mithilfe des Flechtenbewuchses.