Der Regenwurm als Bioindikator : Einfluss von Schwermetallen und Pestiziden auf den Ionentransport über das Integument von Lumbricus terrestris

Abstract

Schwermetalle stellen oftmals eine erhebliche Belastung der Umwelt dar. Wie sich diese im Boden auf dessen Bewohner auswirken, konnte im Verlauf dieser Arbeit anhand des Regenwurms Lumbricus terrestris gezeigt werden. Dazu wurde die current-clamp-Technik verwendet und Messungen des Ionentransports über das Integument der Regenwurmhaut durchgeführt. Blei, Eisen(II), Eisen(III), Kobalt, Kupfer, Nickel, Quecksilber und Zink zeigten signifikante Wirkungen auf den Ionentransport im Regenwurmepithel. Um ihre Wirkweise detaillierter zu untersuchen, wurde der Einfluss der Schwermetalle auf den Transport von Calcium und Natrium über das Gewebe mit elektrophysiologischen Methoden erfasst. Dazu wurden die Natrium-, bzw. Calciumreaktionen des unbehandelten Gewebes den Reaktionen des Gewebes unter Schwermetalleinfluss entgegengestellt. Die Reaktion des Epithels auf die Gabe von 2mM Calcium wurde meist erst durch höhere Konzentrationen der Metalle beeinflusst, wie die Versuche mit Kupfer, Nickel und Quecksilber zeigten. Nickel und Quecksilber wirkten in hohen Dosen hemmend auf den Strom, während Kupfer eine stimulierende Wirkung hatte. Nur Zink wirkte bereits in geringen Konzentrationen signifikant stimulierend auf den Calciumeinstrom. Die Wirkung der Metallionen auf die Amiloridreaktion, und damit verbunden auf den Natriumtransport, war wesentlich stärker. Eisen(II), Eisen(III), Kobalt, Kupfer, Nickel und Quecksilber wirkten bereits in geringen Konzentrationen auf die Amiloridantwort. Eisen(II) und Kobalt setzten die Reaktion des Gewebes auf Amilorid herab. Eisen(III), Kupfer, Nickel und Quecksilber kehrten in hohen Konzentrationen sogar die Reaktionsrichtung von Amilorid von einer Hemmung in eine Stimulierung um. Bei Blei und Zink setzte eine hemmende Wirkung erst bei etwas höheren Konzentrationen ein.Mit gleichartig gestalteten Versuchen wurden die Calciumkanalblocker Ethosuximid, Verapamil und Nifedipin, das Pflanzenschutzmittel Deltamethrin und der second messenger cAMP getestet. Auf den Calciumtransport zeigten nur Deltamethrin in hohen Dosen und Ethosuximid einen hemmenden Effekt. Auf den Natriumtransport wirkten hingegen nur Nifedipin und cAMP hemmend.

Zusammenfassend ist zu sagen, dass Schwermetalle, Metalle oder organische Substanzen in der Lage sind, den Transport von Calcium oder Natrium über das Epithel der Regenwurmhaut zu beeinflussen und zu modulieren. Teilweise sind bereits so geringe Konzentrationen wirksam, dass Spuren im Boden ausreichen, um die Ionenresorption von Lumbricus terrestris zu verändern. L. terrestris stellt durch seine ubiquitäre Verbreitung in allen Arten von Böden einen idealen Bioindikator da. Mit ihm als Modellorganismus ist man nun in der Lage, neue Maßstäbe und Meßmethoden in der Ökotoxikologie zu definieren.

Heavy metals are often a sizable burden for the environment. Its influence on soil living animals are presented in this work considering Lumbricus terrestris as an example. The current clamp technique was used and the ion transport across the integument of earthworm skin was measured. Lead, iron(II), iron(III), cobalt, copper, nickel, mercury and zinc showed significant control on the transport of ions across the earthworm epithelium. The effect of these heavy metals on the transport of calcium and sodium across the tissue was investigated with electrophysiological methods to specify its importance. Therefore the responses of the untreated epithelium to sodium and calcium were compared with the responses to these ions under heavy metal influence. The experiments with copper, nickel and mercury showed that the effect of calcium on the tissues was modulated only by higher concentrations. Nickel and mercury had a decreasing sway at higher doses, whereas copper was increasing the effect. Only zinc showed a significantly stimulating influence on the calcium influx at lower concentrations. The effects of the metal ions on the reactions of amiloride were stronger than on the ones of calcium. Iron (II), iron(III), cobalt, copper, nickel and mercury showed already in low concentrations effects on the amiloride control. Iron(II) and cobalt reduced the effect of amiloride. High concentrations of iron(III), copper, nickel and mercury even changed the inhibition of amiloride into a stimulation of ISC. The inhibitory effects of lead and zinc first showed up at higher doses. With the same form of experiments the calcium channel blocker ethosuximide, verapamil and nifedipine, the pesticide deltamethrin and the second messenger cAMP were tested. The calcium transport was only affected by high concentration of deltamethrin, which showed an inhibitory influence. On the other side only nifedipine and cAMP inhibited the transport of sodium.

In summary, heavy metals, metals or organic substances are able to affect and modulate the transport of calcium and sodium across the earthworm integument. Sometimes very low concentrations are effective, so that even tiny quantities in the soil are sufficient to change ion resorption of Lumbricus terrestris. Due to his ubiquist spreading in each type of soil L. terrestris represents a perfect bio indicator. Using him as a model organism it is possible to define new scales and measuring methods in ecological toxicology.