3. Bioindikation von Schwefeldioxid

3.1 Wirkung von Schwefeldioxid auf Organismen und Bioindikation

Die Einwirkung von Schwefeldioxid und dessen Derivaten auf den menschlichen und tierischen Körper manifestiert sich in Läsionen der oberen Atemwege. Schwefeldioxid kann den Kohlenhydrat- und Protein-Stoffwechsel beeinträchtigen und die körpereigene Resistenz gegenüber Infektionserregern reduzieren. Unter dem Einfluß von Schwefeldioxid und Schwefelsäure verschlechtern sich Fotosynthese und Respiration, was gleichzeitig zu einem erhöhten Niveau von Kohlendioxid führt. Unter Schwefeldioxid verlangsamt sich ebenso das Wachstum, auch sinkt die Qualität der holzigen Pflanzen und Ernteerträge, bei höheren Dosen die Wirkung stirbt die Pflanze schließlich.

In der Botanik existiert eine Reihe von Organismen, deren Anwendung es ermöglicht, eine spezifische Luftverschmutzung zu erkennen und mittels dieser niederen Pflanzen, Flechten, Tiere, Pilzen und höheren Pflanzen entsprechend zu überwachen.

3.2 Der Einfluss von Schwefeldioxid auf Organismen auf zellulärer und subzellulärer Ebene.

Die Wirkung von Schwefeldioxid auf die biologischen Membranen ist bereits intensiv erforscht. Schwefeldioxid dringt in das Blatt durch die Stomata, fällt in den extrazellulären Raum, wo es in Wasser gelöst wird und sich SO32- / HSO3- Ionen bilden, die die Zellmembran zerstören.

Als Ergebnis lässt sich eine reduzierte Pufferkapazität des Zytoplasmas feststellen, außerdem verändert die Zelle ihr Säure- und Redoxpotential. Die Wirkung von Schwefeldioxid auf Effekt- Enzyme beeinflusst den Prozess der gewöhnlichen Bindung des Enzyms an sein Substrat. Als Ergebnis werden verschiedene Abläufe beeinträchtigt, zum Beispiel

• die Assimilation von Kohlendioxid bei der Photosynthese.

• die SO2 -Wechselwirkung mit Proteinen der HS-Gruppen. Dies führt zur Zerstörung der Enzyme.

In Pflanzenzellen akkumulieren sich durch verschiedene Verunreinigungen bestimmte Abwehrstoffe:

• Prolin - eine Aminosäure, die als Indikator für Stress in Betracht gezogen wird

• Alanin - Aminosäure. Sie reichert sich in den Zellen von Kiefer und Mais bei Verschmutzung an

• Peroxidase und Superoxid-Dismutase.

Durch kontaminierte Pigmente treten in Pflanzenzellen folgende Änderungen ein:

• Verringerung des Chlorophyllgehalts ;

• Verringerung des Verhältnisses von Chlorophyll a zu Chlorophyll;

• verlangsamte Fluoreszenz von Chlorophyll.

Sind die Zellen kontaminiert, verringert sich zugleich die Konzentration an löslichen Proteinen. Gasemissionen führen zu einer Verringerung des Gehalts an Myristin-, Palmitin- und Laurinsäure . Ferner wird eine Erhöhung der Linol- und Linolensäure in der Lipidzusammensetzung bewirkt.

Durch Gaskontamination zeigen sich:

• erhöhte Zellharzgänge in Kiefern;

• eine reduzierte Zahl epidermaler Blattzellen

Durch Schwefeldioxid-Luftverschmutzung akkumuliert sich in den pflanzlichen Geweben schnell Schwefel. Typischerweise sind die Blattschäden umso ausgeprägter, je höher der Gehalt an diesem Element in der Pflanze selbst ist. Zuerst werden verbrennungsähnliche Erscheinungen wahrnehmbar, nachfolgend verkümmern die Blattspreiten und fallen letztlich ganz ab.

Unter hoher SO2-Konzentration kommt es bei der Kiefer zum Nadelabwurf. Erhöht sich die Konzentration nochmals, sterben die Nadeln innerhalb weniger Stunden ab.

Weichholz-Arten leiden besonders durch das Schwefeldioxid. Wie bekannt ist, liegt die Lebenserwartung von Kiefernnadeln unter normalen Bedingungen bei 3 bis 4 Jahren. Während dieser Zeit reichert sich eine Menge an Schwefeldioxid, die im wesentlichen über dem Schwellenwert liegt, in den Pflanzenzellen an. Stark toxische Bereiche zeigne bei den Nadeln eine tiefrote Farbe, hierbei ist innerhalb kürzester Zeit mit einem Absterben zu rechnen. Mehr als ein Jahr existieren derartige Nadeln nicht.

Nach Beobachtungen von Hertel ist die Dicke der Wachsschicht auf Kiefernnadeln größer, je höher die Konzentration und Dauer der Exposition gegenüber Schwefeldioxid sind. Diese Tatsache war die Grundlage für die Entwicklung eines quantitativen Verfahrens mit Zusammenhängen zur Atmosphäre. Das Verfahren besteht in der Tatsache, dass eine bestimmte Anzahl von Nadeln in Wasser gekocht wird. Der Grad der Opazität des Extrakts wirkt direkt proportional auf die Menge an Wachs in den Nadeln. Im Ergebnis zeigt sich eine Trübung, je höher diese ausfällt, desto höher ist die Konzentration von Schwefeldioxid in der Luft. Nach ihrem Begründer wird diese Methode auch „Trübungstest nach Hertel“ genannt.

Weitere Untersuchungen zeigten, dass wässrige und getrübte Extrakte nicht nur durch Nadelwachs, sondern auch andere Substanzen in pflanzlichen Geweben verursacht werden können.

Inzwischen ist das Vorkommen von epikutikulärem Wachs unter dem Einfluß von Schwefeldioxid nicht nur für Koniferen, sondern auch für andere Pflanzen belegt. Aus diesem Grund ist es nicht notwendig, die Intensität der Trübung des Extrakts zu bestimmen. Es genügt, den Gehalt des Wachses im Pflanzenmaterial zu ermitteln.