Institut für Hygiene und Umwelt

Gewässergüte Die Testorganismen

Die Testorganismen

Die Daphnien

Daphnia magna / Biologisches Frühwarnsystem

Daphnia magna gehört zur Klasse der Krebstiere (Crustacea) und ist besser bekannt unter dem Namen Wasserfloh. Diese Art gehört mit zu den am häufigsten untersuchten Tieren überhaupt. Daphnia magna dient sehr oft als Modellorganismus für viele ökologische, genetische, ernährungs- und verhaltensphysiologische Studien, woraus das umfangreiche Wissen über ihre hohe Empfindlichkeit gegenüber Veränderungen ihrer Lebensbedingungen, insbesondere unter Einfluss toxischer Stoffe resultiert. Dies ist einer der Hauptgründe für den Einsatz im Biomonitoring. Ihren Namen verdanken sie ihrer ruckartig hüpfenden Bewegung im Wasser. In unbelastetem Wasser ist das Schwimmverhalten durch relativ gleichmäßige Geschwindigkeit und ruhigem Bewegungsablauf gekennzeichnet, während es sich unter Schadstoffeinwirkung je nach Substanz und Dosis zu Hypo- oder Hyperaktivität verändert. Die Abbildung zeigt das Foto einer Daphnie unter dem Lichtmikroskop.

Daphnien sind ein wesentlicher Bestandteil des Zooplanktons und sie ernähren sich filtrierend von Bakterien, Detritus und Algen. Es sind etwa 450 Arten von Wasserflöhen bekannt, von denen rund 100 bisher auch bei uns nachgewiesen werden konnten. Sie spielen eine wichtige Rolle als Fischnahrung, denn sie machen kleinere Algen und Geschwebe für die Fische nutzbar. In ihrer ökologischen Funktion als Primärkonsumenten stehen Daphnien in der aquatischen Nahrungskette zwischen den Algen (Primärproduzenten) und den Fischen (Konsumenten höherer Ordnung).

Die Körpergröße der Daphnien beträgt etwa 3,5 Millimeter. Weibchen können jedoch bis zu sechs Millimeter lang werden. Ihr Körper ist von einer durchsichtigen, zweiklappigen Schale umgeben, aus denen normalerweise nur der Kopf und die langen Antennen, die zur Fortbewegung dienen, heraus gucken. In immer länger werdenden Intervallen häuten sich die Daphnien, die etwa 50 bis 90 Tage alt werden.

Ein einfaches Komplexauge ermöglicht den Daphnien eine gegen das Licht gerichtete Orientierung. In natürlichen Gewässern führen sie tagesperiodische Vertikalwanderungen durch. Tagsüber befinden sie sich in tieferen Gewässerzonen und kommen nachts ins Oberflächengewässer. Die Ursache der Vertikalwanderung ist noch ungeklärt, es spielen aber wohl Faktoren wie Feindvermeidung und Futterangebot eine Rolle.

Die Vermehrung der Daphnien erfolgt im Institut für Hygiene und Umwelt unter optimalen Lebensbedingungen, das heisst bei ausreichend Nahrung und konstanter Temperatur, vegetativ. Unter guten Futterbedingungen werden bis zu 100 Tiere in fünf Tagen erzeugt. Bei der Häutung des Muttertieres schlüpfen die vollständig entwickelten weiblichen Jungtiere. In der Natur würden im Herbst unter den verschlechternden Umweltbedingungen auch Männchen entstehen, was in der Laborzucht durch konstant gute Bedingungen ausgeschlossen wird. Daher entstehen bei der Zucht unter konstanten Bedingungen ausschließlich weibliche Klone.

Daphnienzucht Die Zucht erfolgt unter definierten Bedingungen (genormtes synthetisches Zuchtwasser, Fütterung mit einzelligen Grünalgen). Damit eine gute Reproduktion gewährleistest bleibt, werden etwa 50 Alttiere in 2 Litern Zuchtwasser bei 20°C gehalten. Die Tiere werden täglich in ausreichender Menge mit der Alge Chlorella vulgaris gefüttert. Das Zuchtwasser wird mindestens einmal wöchentlich erneuert, dabei erfolgt die Trennung der Jungtiere von den Alttieren über ein Sieb (DIN 38412).

Im Gegensatz zu den Laborbedingungen produzieren Daphnia-Weibchen normaler Weise parthenogetische, also jungfräuliche diploide Subitaneier, aus denen wieder nur Weibchen entstehen (alle diploid). Diese vermehren sich über viele Generationen auf diese Weise weiter. Unter ungünstigen Bedingungen (Temperaturabfall, Stress, verkürzte Tageslänge) produzieren die Weibchen auch Männchen, die sich allerdings nur phänotypisch (also nicht genetisch) von den Weibchen unterscheiden. Die Weibchen produzieren jetzt zwei haploide Latenzeier in einem besonders ausgeprägten Teil ihres Panzers (Ephippium), wo sie von den Männchen befruchtet werden (haploide Spermien). Die durch das Ephippium geschützten Latenzeier, in denen ein mehrzelliger "ruhender" Embryo entsteht, werden freigesetzt und können ungünstige Lebensumstände überdauern und von Wasservögeln und so weiter verbreitet werden. Aus den Latenzeiern schlüpfen dann unter günstigen Bedingungen wieder Weibchen und der Zyklus kann erneut beginnen.

Die Algen

Algensporen

Grünalgen (Chlorophyceen) sind leicht in mineralischen Nährlösungen kultivierbar, so dass sie häufig als Modellorganismen für ökotoxikologische Untersuchungen herangezogen werden. Zudem sind Chlorophyceen charakteristisch für eutrophe Gewässer. Sie kommen in einer größeren Anzahl an Gattungen und Arten im Plankton vor.

Beim Testorganismus des Algentoximeters handelt es sich um die im Süßwasser lebende Grünalge der Art Chlorella vulgaris . Als einzellige Alge zählt sie zu den einfachsten Formen der Chlorophyceen. Chlorella ist eine unbegeißelte Kugelalge und damit unbeweglich. Die Zellen von Chlorella sind rund und verfügen über eine sehr dünne Membran als Zellwand. Sie sind stets einzeln und haben einen Durchmesser von etwa 5-10 µm. Diese Grünalge besitzt in ihrem glockenförmigen Chloroplasten eine mit höheren Pflanzen vergleichbare Zusammensetzung der photosynthetisch aktiven Farbpigmente.

Ihre Vermehrung erfolgt vegetativ über Autosporenbildung. Dabei wachsen die Zellen auf das Doppelte ihres Durchmessers an und teilen sich allmählich in alle Richtungen des Raumes. Die Tochterzellen runden sich innerhalb der Mutterzelle ab und umgeben sich vollständig mit einer neuen Zellwand. Schließlich platzt die Mutterzelle auf und setzt dabei die Tochterzellen als sogenannte Autosporen frei.

AlgenzuchtChlorella vulgaris wird im Labor des Institutes für Hygiene und Umwelt in belüfteten 500 mL Reagenzgläsern, bei Dauerbeleuchtung und 20°C gehältert. Die Dauerbeleuchtung dient dazu, den natürlichen Tag- / Nachtrhythmus mit seinen unterschiedlichen Photosyntheseraten zu unterbinden.

Mindestens zwei mal wöchentlich wird ein Teil der Algensuspension verworfen und mit entsprechender Menge frischer Nährlösung wieder aufgefüllt. Die Zusammensetzung der Nährlösung gibt Chlorella vulgaris einen Wachstumsvorteil und durch die regelmäßigen Verdünnungen wird das Algenwachstum angeregt und einer Ausbreitung von Fremdorganismen entgegengewirkt.

Da die Zucht nicht unter sterilen Bedingungen abläuft, ist es notwendig die Algensuspension regelmäßig unter dem Mikroskop auf ihre Reinheit zu überprüfen.

Mitarbeiterin am Mikroskop 

Kontakt

Bumper

Institut für Hygiene und Umwelt

Michael Lechelt
Wasseruntersuchungen-Wassergütemessnetz
Marckmannstraße 129b
20539 Hamburg