Zeitschrift für Pflanzenkrankheiten und Pflanzenschutz

Journal of Plant Diseases and Protection
Zeitschrift für Pflanzenkrankheiten und Pflanzenschutz
Sonderheft XX, 977-986 (2006), ISSN 1861-4051
© Eugen Ulmer KG, Stuttgart
Einfluss von Azoprim 50 WP und Isoturon 500 SC auf die Energieladung und die Zusammensetzung der Mikroflora im Boden
A. NOWAK1*, J. NOWAK2, A. TELESINSKI2, K. PRZYBULEWSKA1, M. BLASZAK1, D. KLODKA2
1
Department of Microbiology and Environmental Biotechnology, University of Agriculture,
ul. Slowackiego 17, 71-434 Szczecin, Poland, E-mail: [email protected]
2
Department of Biochemistry, University of Agriculture, ul. Slowackiego 17, 71-434 Szczecin, Poland,
E-mail: [email protected]
* korrespondierender Autor
Zusammenfassung
Die Abbaugeschwindigkeit der herbiziden Wirkstoffe Isoproturon (Isoturon 500 SC) und Atrazin (Azoprim
50 WP) im Boden und die Auswirkungen der Herbizidbehandlung auf die Mikroorganismenflora wurde
unter Laborbedingungen untersucht. Während des Abbaus wurde die Menge an Bakterien, Aktinomyzeten
und Pilzen, sowie der Anteil an proteolytischen, amylolytischen und lipolytischen Bakterien bestimmt.
Gleichzeitig wurde die Menge an ATP, ADP, AMP analysiert und die Energieladung (AEC) im Boden berechnet.
Nach 56 Tagen Inkubation war Isoproturon zu 70-85 % abgebaut und Atrazin zu ca. 40 %. Die Untersuchungen zeigten, dass im Boden während des Abbaus von Isoproturon und Atrazin deutliche Änderungen in verschiedenen mikrobiologischen und biochemischen Parametern stattfanden. Der Gehalt an ATP,
ADP und AMP im Boden unterlag starken Schwankungen, insbesondere zu Versuchsbeginn. Die ATPMenge nahm anfangs ab, während ADP und besonders AMP zunahmen. Zu einem späteren Versuchszeitpunkt stieg die ATP-Menge wieder auf das Niveau der Kontrolle an und die Mengen an ADP und
AMP nahmen langsam wieder ab. Die Behandlung des Bodens mit Herbiziden verursachte auch eine
deutliche Abnahme der Energieladung, die proportional zur verwendeten Herbiziddosis war. Während der
Inkubation des Bodens nahm die Energieladung langsam zu und erreichte zum Versuchsende Werte um
0,8. Von allen Gruppen von Mikroorganismen nahmen nach der Herbizidbehandlung besonders die Bakterien und Aktinomyzeten zu. Im Fall von Isoproturon fand diese Zunahme früher statt als bei Atrazin,
hörte jedoch auch schneller wieder auf. Im herbizidbehandelten Boden, war eine größere Prozentzahl der
Bakterien fähig zur Proteolyse, Amylolyse und Lipolyse als in der unbehandelten Kontrolle. Diese Tendenz war für Isoproturon ausgeprägter als für Atrazin.
Stichwörter: ADP, AMP, ATP, Boden, Energieladung, Herbizide, Mikroorganismen
Summary
Effect of Azoprim 50 WP and Isoturon 500 SC on the adenylate energetic charge of soil and the composition of soil microflora
In a laboratory experiment isoproturon (Isoturon 500 SC) and atrazine (Azoprim 50 WP) degradation
in soil and the influence on soil microflora was examined. During the incubation, counts of bacteria, actinomycetes and fungi were made, and percentage contribution of proteolytic, amylolytic and lipolytic
bacteria on soil microflora was determined. In the same time the amount of ATP, ADP and AMP was
analysed and the adenylate energy charge (AEC) calculated.
After 56 days, 70-85 % of isoproturon and about 40 % of atrazine was degraded. The investigation
showed significant changes in different microbiological and biochemical parameters of the soil during
degradation of both herbicides. The amount of ATP, ADP and AMP in herbicide treated soil changed,
978
NOWAK, NOWAK, TELESINSKI, PRZYBULEWSKA, BLASZAK, KLODKA
especially at the beginning of the experiment. For ATP a decrease was observed, while levels of ADP and
especially AMP increased. Later on the amount of ATP slowly increased again and the other two adenylates decreased slowly during the rest of incubation. After the treatment of soil with herbicides a significant decrease of the adenylate energy charge was observed, which was proportional to the dose used.
Later the AEC increased slowly, and at the end of the incubation time it reached about 0.8. Counts of all
microorganisms in soil during herbicide degradation increased, especially that of bacteria and actinomycetes. For isoproturon this effect was apparent earlier, but it also disappeared earlier. Percentage of proteolytic, amylolytic and lipolytic bacteria on soil microflora increased during herbicide degradation. This
tendency was more pronounced for isoproturon as for atrazine.
Keywords: Adenylate energy charge, ADP, AMP, ATP, herbicides, microorganism, soil
Einleitung
Pestizide, darunter auch Herbizide, sind bekannt als sehr aktive biologisch Substanzen, die im Boden viele Nebeneffekte hervorrufen können. Deshalb sind in der Vergangenheit viele Untersuchungen gemacht
worden, um solche Einflüsse auf den Boden zu erkennen. Am häufigsten sind Änderungen in der Menge
der Mikroorganismen im Boden oder in der Aktivität verschiedener Mikroorganismen zu beobachten, wie
zum Beispiel der Einfluss von Herbiziden auf die Nitrifikation oder den Abbau von organischer Substanz.
In letzter Zeit, wurde zur Beurteilung des Zustandes der Mikroflora auch die Energieladung im Boden
gemessen, die anhand der Mengen der Adenylate ATP, ADP und AMP berechnet werden kann. Der Vorrat an Adenin-Nukleotiden im Boden, die größtenteils von Mikroorganismen stammen, und ihr Verhältnis
zueinander deuten auf die Wachstumsintensität der Mikroflora und ihren metabolischen Zustand hin. Da
auch für Herbizide ein mikrobieller Abbau im Boden nach Behandlung hinreichend bekannt ist, scheint
dieses Messverfahren auch zur Beurteilung des Einflusses von Herbiziden auf die metabolische Aktivität
der Bodenmikroorganismen gut geeignet zu sein. Die Ergebnisse solcher Messungen sollten auch mit
einer Änderung in der Fähigkeit der Bodenmikroflora korrelieren verschiedene Substrate aufzunehmen.
Dies sollte sich in einer Veränderung der Prozentzahl der Organismen der Mikroflora mit spezifischen
Enzymaktivitäten bemerkbar machen. Untersuchungen dieser Art können nicht nur zeigen, ob nach einer
Behandlung mit Herbiziden die Zahl der Mikroorganismen schwankt, sondern auch wie sich der Zustand
und die metabolische Aktivität verändert, und welche Gruppe von Mikroorganismen besonders starken
Umwandlungen unterliegt.
Die Herbizide, die modellhaft in solchen Untersuchungen eingesetzt werden, sollten biologisch abbaubar sein, jedoch mit unterschiedlicher Intensität um die Änderungen in der Mikroflora mit der Abbaugeschwindigkeit vergleichen zu können.
Material und Methoden
Die Abbaustudien wurden mit zwei Herbiziden durchgeführt: Isoturon 500 SC [Fa. Zaklady Chemiczne
„Rokita” S.A. Brzeg Dolny; enthält 500 g l-1 Isoproturon (3-(4-isopropylphenyl)-1,1-dimethylurea)] und
Azoprim 50 WP [Fa. Zaklady Chemiczne “Organika-Azot” S.A. Jaworzno; enthält 50 % Atrazin
(6-chlor-N2-ethyl-N4-isopropyl-1,3,5-triazine-2,4-diamine)].
In dem Laborversuch wurde ein Lehmboden verwendet, der aus Rownina Gumieniecka in der Nähe
von Szczecin stammt und 1,2-1,8 % organische Substanz und einen pH(H2O) Wert von 7,0 aufwies
(BOGDA et al. 1990). Der Boden wurde aus 0-10 cm Tiefe entnommen und auf 2 mm gesiebt. Nach sorgfältiger Mischung wurden einzelne Proben von je 500 g vorbereitet. Die Herbizide wurden in 3 Dosierungen zugegeben: 1, 10 und 100 mg a.i. kg-1 Boden. Bodenproben ohne Herbizide dienten als Kontrolle.
Die Inkubation der Bodenproben erfolgte unter Laborbedingungen über 2 Monate bei 20 °C und 60 % der
maximalen Wasserkapazität. Am 0, 1, 7, 14, 28 und 56 Tag wurden Rückstandsanalysen sowie mikrobiologische und biochemische Bestimmungen durchgeführt.
Herbizidrückstande wurden mit Methanol (Isoproturon) oder einer Mischung aus Methanol/Wasser 3/1
(Atrazin) aus dem Boden extrahiert und mittels Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC; Perkin
Einfluss von Herbiziden auf Bodenmikroflora
979
Elmer Chromatograph Series 200 mit UV Detektor) quantifiziert. Die verwendete Säule war eine Adsorbosphere UHS (C18, 5 µm) mit einer Länge von 150 mm. Für Isoproturon wurde als mobile Phase Methanol/Wasser (70/30 v/v) benutzt bei einer Flussgeschwindigkeit von 1 cm3 min-1. Das Einspritzvolumen
betrug 10 µl. Isoproturon wurde bei einer Wellenlänge von 240 nm detektiert und hatte eine Retentionszeit von 3,30 min. Die Bestimmungsgrenze lag bei 10-2 mg·kg-1 und die Widerfindungsrate der Methode
betrug 97 ± 4 %. Für Atrazin wurde als mobile Phase Acetonitril/Wasser (60/40 v/v) benutzt und eine
Flussgeschwindigkeit 1 cm3 min-1. Das Einspritzvolumen betrug 20 µl. Atrazin wurde bei einer Wellenlänge von 222 nm detektiert und hatte eine Retentionszeit von 2,20 min. Die Bestimmungsgrenze lag bei
10-2 mg·kg-1 und die Widerfindungsrate der Methode betrug 92 ± 4 %.
ATP, ADP und AMP wurden nach einer modifizierten Methode von DYCKMANS and RAUBUCH (1997)
bestimmt, indem die Zugabe von NRB durch eine 10minütige Schüttelextraktion im Wasserbad ersetzt
wurde. Die Bestimmung wurde mit demselben HPLC-System mit Fluoreszenzdetektor durchgeführt. Die
verwendete Säule war eine ODS Hypersil (250 * 4,6 mm; 5 µm) und als mobile Phase wurde ein 0,05 M
Ammonium Acetat Puffer mit 1 mM EDTA, 0,4 mM TBAHS und Methanol 90/10 (v/v) verwendet. Die
Flussgeschwindigkeit betrug 2 cm3 min-1. Die Adenylate wurden bei einer Wellenlänge von 280 und
410 nm detektiert. Die Retentionszeit für AMP lag bei 7,15 min, für ADP bei 10,30 min und für ATP bei
18,65 min. Die Bestimmungsgrenze lag für AMP bei 20 ng g-1 Boden, für ADP bei 50 ng g-1 und für ATP
bei 20 ng g-1. Die Wiederfindungsrate der Methode betrug für AMP 90 %, für ADP 93 % und für ATP
91 %. Aufgrund der Mengen an ATP, ADP und AMP im Boden wurde die Energieladung (AEC) folgendermaßen berechnet:
AEC = ((ATP+ADP) * 0,5) / (ATP+ADP+AMP).
Zu allen Probenahmeterminen wurden auch mikrobiologische Analysen durchgeführt. Die Bestimmung
der Menge an Mikroorganismen in den Bodenproben erfolgte mit der Plattengussmethode unter Verwendung entsprechender Nährmedien. Für Bakterien wurde das MPA-Medium (Fa. Scharlau), für Aktinomyzeten ein Medium nach CYGANOW (1964) und für Pilze ein Medium nach MARTIN (1950) verwendet. Um
die Anzahl an proteolytischen, amylolytischen und lipolytischen Bakterien zu bestimmen, wurde von der
ursprünglichen Platte mit der Bodenverdünnung mit Hilfe eines sterilen Stempels ein Abdruck auf drei
weitere Platten übertragen. Diese drei Platten enthielten ein Medium für proteolytische (KĘDZIA and
KONIAR 1974), amylolytische (COONEY and EMERSON 1964) und lipolytische (BURBIANKA and PLISZKA
1977) Organismen. Auf diese Weise war es möglich, selektiv den Anteil an Bakterien aus diesen drei
Gruppen zu bestimmen.
Die Signifikanz der Ergebnisse wurde mittels Varianzanalyse untersucht und die Zusammenhänge
zwischen verschiedenen Parametern mit Hilfe des Korrelationskoeffizienten nach Pearson bestimmt.
Ergebnisse
Die Abbaugeschwindigkeit der beiden Herbizide im Boden war sehr unterschiedlich (Abb. 1.). Im Falle
von Isoproturon (Isoturon 500 SC) verlief der Abbau sehr schnell und nach 2 Monaten Inkubation war im
Boden nur noch eine Menge von 15-30 % der applizierten Menge nachweisbar. Es war auch ein deutlicher Einfluss der Dosierung sichtbar, wobei höhere Dosierungen schneller abgebaut wurden. Auch Atrazin (Azoprim 50 WP) wurde im Boden mit fast konstanter Geschwindigkeit abgebaut, jedoch verschwand
Atrazin aus dem Boden viel langsamer als Isoproturon, so dass am Ende der Inkubation im Boden immer
noch fast die Hälfte der ursprünglichen Menge nachweisbar war. Es ist auch zu bemerken, dass der Einfluss der Aufwandmenge auf die Abbaugeschwindigkeit bei Atrazin deutlich geringer war.
Die Menge an Adenin-Nukleotiden im Kontrollboden war während der gesamten Inkubation stabil
(Tab. 1.). Der ATP-Gehalt schwankte um 3 µg g-1, ADP um 1 µg g-1 und AMP um 0,2-0,3 µg g-1. Im herbizidbehandelten Boden waren während der ersten Versuchsperiode stärkere Schwankungen in den Adenin-Nukleotid-Gehalten zu beobachten. Die Menge an ATP sank anfangs, erreichte aber nach etwa 30
Tagen wieder den Werte der Kontrolle. Zur selben Zeit stieg der Gehalt der anderen beiden Nukleotiden,
insbesondere der von AMP. Im weiteren Verlauf des Versuches sank jedoch auch AMP wieder und am
980
NOWAK, NOWAK, TELESINSKI, PRZYBULEWSKA, BLASZAK, KLODKA
Ende des Versuches waren im herbizidbehandelten Boden ähnlich hohe Werte vorhanden wie im nicht
behandelten.
Während der Inkubation des Bodens mit den Herbiziden wurden auch deutliche Änderungen der Energieladung beobachtet (Abb. 2.). Im Kontrollboden lag der AEC-Wert während des gesamten Versuches
leicht über einem Niveau von 0,8. Unmittelbar nach der Behandlung mit Herbiziden, nahm der AEC Wert
stark ab, und zwar umso mehr, je größer die Herbiziddosis war. In der zweiten Versuchshälfte war eine
langsame Zunahme der Energieladung zu beobachten, wobei diese Erholung für Isoproturon deutlich
schneller erfolgte als für Atrazin. Am Ende des Versuches, nach 2 Monaten Inkubationszeit, erreichte die
Energieladung im herbizidbehandelten Boden wieder Werte um 0,8, was wieder dem Niveau der Kontrolle entsprach.
Isoturon 500 SC
Azoprim 50 WP
120
120
100
80
Prozent
80
Prozent
100
1 mg*kg-1
10 mg*kg-1
100 mg*kg-1
60
60
40
40
20
20
0
1 mg*kg-1
10 mg*kg-1
100 mg*kg-1
0
0
10
20
30
40
50
60
0
10
20
Tag
30
40
50
60
Tag
Abb. 1: Abbaukurven von Isoproturon (Isoturon 500 SC) und Atrazin (Azoprim 50 WP) im Boden bei
20 °C und 60 % Wasserkapazität.
Fig. 1: Degradation curves of isoproturon (Isoturon 500 SC) and atrazine (Azoprim 50 WP) in soil at
20 °C and 60 % water capacity.
Tab. 1: Einfluss von Herbiziden auf den Gehalt an ATP, ADP und AMP im Boden.
Tab. 1: Influence of herbicides on the amount of ATP, ADP and AMP in soil.
Dosierung
[mg kg-1]
1
Kontrolle
Isoturon
500 SC
Azoprim
50 WP
ATP [µg g-1]
Tag
7
14 28
56
1
ADP [µg g-1]
Tag
7
14 28
56
1
AMP [µg g-1]
Tag
7
14 28
56
Gesamt [µg g-1]
Tag
1
7
14 28 56
3,22 3,61 3,37 2,95 3,40 0,87 0,94 0,80 0,66 0,75 0,25 0,10 0,17 0,23 0,24 4,33 4,65 4,33 3,83 4,39
1
10
100
3,82 3,14 3,48 3,19 3,04 1,12 1,13 1,28 0,62 0,46 0,22 0,16 0,29 0,32 0,45 5,16 4,42 5,04 4,13 3,95
2,15 3,62 4,30 3,29 3,96 1,85 2,69 1,08 0,84 1,04 0,22 2,49 0,56 0,35 0,63 4,21 8,79 5,94 4,48 5,62
1,53 1,54 2,93 2,63 2,16 2,15 2,10 0,93 0,85 0,77 2,36 1,64 0,84 0,27 0,42 6,04 5,28 4,70 3,74 3,35
1
10
100
5,91 1,51 2,11 2,29 2,88 0,97 1,91 1,24 0,67 0,90 0,14 2,74 0,65 0,16 0,23 7,02 6,16 3,99 3,12 4,00
1,25 1,99 2,94 3,13 2,85 0,97 1,64 0,93 0,74 0,59 1,67 1,21 0,89 0,45 0,42 3,89 4,84 4,75 4,31 3,85
1,79 2,67 1,89 2,18 2,93 1,27 0,99 0,66 0,97 0,77 1,32 2,00 0,37 0,43 0,57 4,38 5,66 2,91 3,57 4,26
Die Menge an Mikroorganismen nahm im herbizidbehandelten Boden zu (Abb. 3.). Die Bakterienzahl bei
Behandlung mit Isoproturon war deutlich höher als in der Kontrolle. Diese Zunahme war nach etwa 20
Tagen zu beobachten und erreicht bis zu 50 % im Vergleich zur Kontrolle. Noch ausgeprägter war dieses
Phänomen für Actinomyzeten. Die Zunahme trat hier in der zweiten Hälfte des Versuchs auf und betrug
zwischen 50 bis über 250 % im Vergleich zur Kontrolle, wobei die Zunahme proportional der applizierten
Herbiziddosis war. Eine Zunahme bei Pilzen war dagegen nur bei der höchsten Dosierung zu beobachten.
Diese betrug etwa 40 % im Vergleich zur Kontrolle und blieb über die gesamte Inkubationszeit erhalten.
Einfluss von Herbiziden auf Bodenmikroflora
981
Atrazin verursachte ebenfalls eine Zunahme der Anzahl an Mikroorganismen. Im Fall der Aktinomyzeten war dieser Anstieg ähnlich wie bei Isoproturon. Die Menge an Bakterien und Pilzen dagegen stieg
erst in der zweiten Hälfte des Versuches an, war jedoch deutlich ausgeprägter und erreichte einen bis zu
3-4 mal so hohen Werte wie in der Kontrolle.
Isoturon 500 SC
Azoprim 50 WP
1,0
(ATP+0,5ADP)/(ATP+ADP+AMP)
(ATP+0,5ADP)/(ATP+ADP+AMP)
1,0
0,8
0,6
0,4
Kontrolle
1 mg*kg-1
10 mg*kg-1
10 mg*kg-1
0,2
0,8
0,6
0,4
Kontrolle
1 mg*kg-1
10 mg*kg-1
10 mg*kg-1
0,2
0,0
0,0
0
10
20
30
40
50
60
0
10
20
30
40
50
60
Tag
Tag
Abb. 2: Energieladung (AEC) im Boden während der Inkubation.
Fig. 2: Adenylate energy charge (AEC) in soil during incubation.
Isoturon 500 SC, Bakterien
Isoturon 500 SC, Aktinomyceten
Isoturon 500 SC, Pilze
300
200
150
250
100
200
Prozent
Prozent
Prozent
150
150
100
100
50
50
50
0
0
10
20
30
40
50
0
0
60
10
20
Tag
30
40
50
0
0
60
10
20
Tag
400
600
300
40
50
60
50
60
Azoprim 50 WP, Pilze
Azoprim 50 WP, Aktinomyzeten
Azoprim 50 WP, Bakterien
800
30
Tag
400
200
100
200
0
0
Prozent
Prozent
Prozent
400
10
20
30
40
50
60
0
0
300
200
100
10
20
30
40
50
60
0
0
Kontrolle
1 mg*kg-1
10 mg*kg-1
10
20
30
40
Tag
Tag
Tag
100 mg*kg-1
Abb. 3: Menge an Bakterien, Actinomyceten und Pilzen im Boden behandelt mit Herbiziden (in Prozent
der unbehandelten Kontrolle).
Fig. 3: Counts of bacteria, actinomycetes and fungi in soil treated with herbicides (in percent of the
untreated control).
Ungefähr 60 % der Bakterien im Kontrollboden hatten die Fähigkeit proteolytische Enzyme zu produzieren. Während des Versuches, sank dieser Anteil bis zum 20. Tag, erholte sich dann jedoch wieder und
erreichte am Ende fast die gleichen Werte wie zu Versuchsbeginn. Amylolytische Fähigkeiten zeigten am
982
NOWAK, NOWAK, TELESINSKI, PRZYBULEWSKA, BLASZAK, KLODKA
Anfang des Versuches nur etwa 30 % der Bakterien. Diese Zahl nahm während der Inkubation zu, mit
einem erstem Maximum am 15. Tag und einem Zweitem am Ende des Versuches, wo fast 80-90 % aller
Bakterien solche Enzyme produzierten. Am stabilsten erwies sich die Gruppe der lipolytischen Bakterien.
Anfangs war ihr Anteil mit 10 % sehr klein, verdoppelte sich aber nach 10 Tagen und blieb bis zum Ende
des Versuches auf diesem Niveau (Abb. 4.).
Bei Anwesenheit von Isoproturon, trat eine starke Zunahme von proteolytischen Bakterien im Boden
auf, besonders in der ersten Hälfte des Versuchs. Der Anteil erreichte 70-80 % und stieg im Boden mit
zunehmender Herbiziddosis an. Amylolytische Bakterien wurden dagegen in der erster Periode der Inkubation gehemmt, und traten erst in der Zweiten Hälfte zunehmend stärker auf. Ebenfalls dosierungsabhängig nahm die Zahl der lipolytischen Bakterien zu. Dieser Zuwachs war besonders deutlich am Anfang
der Inkubation zu beobachten, und der Anteil dieser Bakterien erreichte bis zu 60 %.
Ähnliche Tendenzen waren im Boden bei Atrazinbehandlung zu beobachten. Allerdings war in der
zweiten Hälfte des Versuches eine geringere Förderung der amylolytischen Bakterien und sogar eine
Hemmung der proteolytischen und lipolytischen Bakterien zu beobachten.
80
80
80
60
40
0
0
Prozent
100
Prozent
Prozent
100
60
40
10
20
30
40
50
0
0
60
60
40
20
20
20
10
20
30
40
50
0
0
60
80
80
80
40
Prozent
100
Prozent
100
60
60
40
20
30
40
50
60
0
0
10
20
50
60
50
60
60
40
30
40
50
60
0
0
1 mg*kg-1
10 mg*kg-1
10
20
30
40
Tag
Tag
Tag
Kontrolle
40
20
20
20
30
Azoprim 50 WP, lipolitische
Azoprim 50 WP, amylolitische
Azoprim 50 WP, proteolitische
10
20
Tag
100
0
0
10
Tag
Tag
Prozent
Isoturon 500 SC, lipolitische
Isoturon 500 SC, amylolitische
Isoturon 500 SC, proteolitische
100
100 mg*kg-1
Abb. 4: Anteil von verschiedenen Bakteriengruppen an der Bodenmikroflora in Abhängigkeit der Behandlung mit Herbiziden.
Fig. 4: Percentage of different groups of bacteria in soil microflora as influenced by herbicide treatments.
Es wurde für beide Herbizide eine negative Korrelation zwischen der Menge an Herbizidrückständen und
der Energieladung festgestellt (Tab. 2.). Dies zeigt, dass während des Herbizidabbaus vermehrt Mikroorganismen in einem metabolisch intaktem Zustand sind. Diese Annahme bestätigt auch die Beobachtungen
für Isoproturon, welches besser biologisch abbaubar ist als Atrazin.
Der Zusammenhang zwischen dem Rückstand an Isoproturon und der Menge an Pilzen im Boden
zeigt, dass das Herbizid eine negative Wirkung auf Pilze hat und vermutlich vorwiegend durch Bakterien
und Aktinomyzeten metabolisiert wurde. Auch der negative Zusammenhang zwischen der Zahl an Pilzen
im behandelten Boden und der Zahl an Aktinomyzeten würde diese Annahme bestätigen.
Für beide Herbizide ergab sich eine Korrelation zwischen der Zahl an Aktinomyzeten und proteolytischen sowie amylolytischen Organismen und dem Anteil von proteolytischen und amylolytischen Bakterien. Teilweise unterschiedliche Korrelationen für beide Herbizide zeigen, dass vermutlich in beiden Fäl-
Einfluss von Herbiziden auf Bodenmikroflora
983
len andere Mikroorganismenpopulationen auftreten, die auf jeweils andere Weise den Abbau durchführen.
Tab. 2: Signifikante Korelationskoeffizienten zwischen verschiedenen Parametern des Bodens (Fett –
signifikante Korrelation für beide Herbizide).
Tab. 2: Significant correlation coefficients between different soil parameters (bold – significant correlations for both herbicides).
Atrazin
Isoproturon
Rückstand
Energieladung
Bakterien
Pilze
Aktinomyzeten
Proteolytisch
Amylolytisch
Lipolytisch
Rückstand Energieladung Bakterien
Pilze
-0,79
0,28
-0,00
Aktinomyzeten Proteolytisch Amylolytisch Lipolytisch
-0,36
-0,29
-0,44
0,66
0,81
0,87
0,54
0,58
0,51
0,52
-0,59
0,57
-0,46
0,74
0,66
0,83
0,42
Diskussion
Isoproturon gehört zu den schnell abbaubaren Herbiziden und seine Persistenz im Boden beträgt nur einige Wochen bis Monate. In den vorliegenden Versuchen wurde nach 56 Tagen Inkubationszeit der größte
Teil der applizierten Herbizidmenge abgebaut (70 bis 85 %). Ähnliche Abbaukurven sind schon früher
beobachtet worden (NOWAK et al. 2004) und die Befunde stimmen gut mit Angaben von anderen Autoren
überein. In verschiedenen Böden schwankt die Halbwertszeit von Isoproturon nach WALKER et al. (2001)
von 6,5 bis 30 Tage, und nach LEHR et al. (1996) sind diese Schwankungen noch größer (10-61 Tage). In
einem vergleichbaren Zeitabschnitt von 60 Tagen, stellten LEHR et al. (1996) einen Abbau von 30-49 %
des applizierten Isoproturons fest. Andere Autoren kommen zu ähnlichen Ergebnissen (SORENSEN and
AAMAND 2001, 2003, PERRIN-GANIER et al. 2001, Blair et al. 1990) und es ist ebenfalls bereits bekannt,
dass der mikrobiologische Abbau eine entscheidende Rolle in diesem Prozess spielt (LEHR et al. 1996,
WALKER and AUSTIN 2003, WALKER et al. 2001, BERGER 1998, SORENSEN et al. 2002, SEBAI et al. 2004,
CERNAKOVA 1995).
Der Abbau von Atrazin verlief deutlich langsamer als der von Isoproturon. Nach 58 Tagen wurden im
Boden etwa 60 % Atrazin abgebaut. Diese Ergebnisse bestätigen frühere Untersuchungen von NOWAK
and NOWAK (1996). MOORMAN et al. (2001) berichten über eine 30 %ige Abnahme von Atrazin nach 245
Tagen, SINGH et al. (2004) haben eine 45 %ige Abnahme nach 80 Tagen festgestellt und SILVA et al.
(2004) eine 54 %ige Abnahme nach 67 Tagen. Die Abbaugeschwindigkeit kann jedoch unter bestimmten
Bedingungen viel schneller sein, wie von SILVA et al. (2004) gezeigt werden konnte. Obwohl Atrazin
eine nicht besonders gute Quelle für Kohlenstoff und Energie für Mikroorganismen ist (RHINE et al.
2003) wird es auch durch Bodenmikroorganismen abgebaut (RADOSEVICH et al. 1996, WILLEMS et al.
1996).
Die Menge an ATP, ADP und AMP im behandelten Boden unterlag vor allem am Anfang des Versuches starken Schwankungen, was eine Folge der Herbizidbehandlung sein muss. Eine Abnahme der Menge an ATP könnte möglicherweise durch die Biodegradation der Herbizide hervorgerufen worden sein,
während die Zunahme an ADP und besonders AMP auf eine schnelle Zellsynthese hindeutet. KINNIMENT
and WIMPENNY (1992) berichten über eine ähnliche Zunahme an AMP für Bakterienzellen mit intensivem
Metabolismus. Auch CIARDI et al. (1993) beobachteten eine Zunahme des Gehaltes von ADP und AMP
bei gleichzeitiger Abnahme von ATP. Solch eine Verschiebung des Verhältnisses zwischen ATP und
AMP kann ein Hinweis auf eine laufende Synthese von Energieverbindungen in der Zelle sein, denn der
Verbrauch von ATP (zum Beispiel für Biodegradation) und die resultierende Verschiebung in der Propor-
984
NOWAK, NOWAK, TELESINSKI, PRZYBULEWSKA, BLASZAK, KLODKA
tion zwischen ATP und AMP ist ein Signal für Zellenmechanismen, die zu einer intensiven ATP Produktion führen (LEHR et al. 1996).
Sehr eindeutig verliefen die Änderungen der Energieladung im Boden während des Abbaus der Herbizide. Im Boden war eine deutliche, zur verwendeten Dosis proportionale Abnahme der AEC Werte zu
verzeichnen. Über ein schnelles Absinken dieses Parameters im Boden, wenn Mikroorganismen einem
toxischen Stress ausgesetzt sind, berichten auch andere Autoren (RAUBUCH et al. in press). Die Rückkehr
der Energieladung zum ursprünglichen Niveau verlief viel schneller bei einer Behandlung mit Isoproturon, was mit dem schnelleren Abbau dieser Herbizids in Vergleich zu Atrazin, sowie mit der damit verbundenen Vermehrung der Mikroflora zusammenhängen dürfte. Es sind kaum Angaben über Veränderungen von AEC-Werten während des Herbizidabbaus im Boden zu finden. LEHR et al. (1996), der den
Abbau von Isoproturon in vier verschiedenen Böden untersuchte, stellte bei drei Böden einen AEC-Wert
von etwa 0,8 fest und für den vierten Boden von 0,64. Nur bei dem letzten konnten die Autoren eine Zunahme des AEC-Wertes feststellen, der am Ende des Versuches jedoch auch wieder einen Wert von 0,8
erreichte. In diesen Untersuchungen wurde jedoch leider der AEC-Wert nur am Anfang und am Ende
bestimmt, wodurch eventuelle Schwankungen während der Inkubation nicht erfasst wurden. Hohe Werte
der Energieladung sind ein Hinweis auf eine intakte, aktive Mikroflora (ATKINSON 1977, KINNIMENT and
WIMPENNY 1992). Nach CHAPMAN et al. (1971) liegt in aktiven Zellen der AEC-Wert im Bereich von
0,8. Werte zwischen 0,5-0,7 deuten auf Zellen hin, welche unfähig sind Biosynthesen zu betreiben. Werte
kleiner als 0,4 treten in biologisch nicht aktiven Böden auf. Man kann also vermuten, dass die starke Abnahme des AEC-Wertes nach der Herbizidbehandlung auf starken Stress in der Mikroflora hinweist, welcher im Laufe der Inkubation verschwindet. Es bildet sich eine Population resistenter oder abbaufähiger
Mikroorganismen aus, welche den AEC-Wert erneut steigern.
Die Ergebnisse der AEC Messungen werden bestätigt durch die gefundenen Menge an Mikroorganismen im Boden. Alle Gruppen vermehrten sich nach der Behandlung mit Herbiziden, insbesondere die
Gruppe der Bakterien und Aktinomyzeten. Im Fall von Isoproturon fand diese Vermehrung früher statt als
bei Atrazin, hörte jedoch auch schneller wieder auf. Nach DOMSCH (1992) gehen von Isoproturon keine
Nebeneffekte auf die Bodenmikroflora aus. Auch eigene Arbeiten (NOWAK et al. 2004) zeigten keine
negativen Einwirkungen von Isoproturon auf die Mikroorganismenzahl. Es war umgekehrt sogar eine
Zunahme zu beobachten, insbesondere an Bakterien. Für Atrazin wurde eine Zunahme an mikrobieller
Biomasse gefunden (NOWAK and NOWAK 1996), die im behandelten Boden nach 20-30 Tagen auftritt.
Trotz eines beobachteten Anstiegs an Mikroorganismen während des Herbizidabbaus, wurden signifikante Korrelationskoeffizienten nur zwischen Herbizidrückständen und der Zahl an Aktinomyzeten bei einer
Isoproturonbehandlung festgestellt. Es gibt jedoch keinen Zweifel daran, dass Bodenmikroorganismen am
Abbau beider Herbizide mitwirken und davon profitieren, was als intensive Vermehrung zu sehen ist.
Sehr interessant ist, dass im herbizidbehandelten Boden eine höhere Prozentzahl der Bakterien die Fähigkeit zur Proteolyse, Amylolyse und Lipolyse zeigten, als im Kontrollboden. Diese Tendenz war stärker
ausgeprägt für Isoproturon als für Atrazin, was im Zusammenhang mit einer stärkeren metabolischen Aktivität und Intensität des Herbizidabbaus stehen dürfte. Die Korrelationskoeffizienten zeigen, dass der
Abbau von Atrazin besonders mit der Aktivität von Bakterien verbunden ist, was für Isoproturon nicht
der Fall war. Für beide Herbizide konnte dagegen kein Zusammenhang zwischen der Abbaugeschwindigkeit oder Energieladung und der proteolytischen, amylolytischen oder lipolytischen Aktivität festgestellt
werden.
Die Untersuchungen haben gezeigt, dass im Boden während des Abbau von Isoproturon und Atrazin
deutliche Änderungen in verschiedenen mikrobiologischen und biochemischen Parametern stattfinden.
Die Menge an Mikroorganismen nimmt zu, besonders die von Bakterien und Aktinomyzeten, und der
Anteil der Bakterien mit der Fähigkeit Proteine, Kohlenwasserstoffe und Lipide zu hydrolysieren nimmt
zu. Ein aktiver Zustand der Mikroflora wird auch bestätigt durch eine Änderungen des ATP-, ADP- und
AMP-Gehaltes, sowie der Energieladung im Boden. All das könnte einerseits ein Nebeneffekt der Herbizide auf Mikroorganismen sein, andererseits die Folge einer Anpassung der Mikroflora an die Biodegradation. Letztlich stellt die Änderung der Adenin-Nukleotide jedoch nur zwei Seiten desselben Phänomens
dar – einer Adaptation von Mikroorganismen zu modifizierten Bedingungen und eine Nutzung aller Substraten, die zur Verfügung stehen.
Einfluss von Herbiziden auf Bodenmikroflora
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