Akkumulation und Weitergabe von Schwermetallen aus belasteten Böden in systematisch kultivierten Völkern der dunklen Erdhummel Bombus Terrestris

Diplomarbeit von Andreé Hamm

Einleitung:

Schwermetalle finden ihren natürlichen Ursprung im anstehenden Tiefengestein bzw. im Gestein unter der Bodendeckschicht. Je nach Art und Morphologie des Gesteins, kann es durch dessen Verwitterung auf natürlichem Wege zu ungewöhnlich hohen Schwermetallgehalten im Boden kommen. Schwermetalle werden seit frühester Menschheit genutzt, um Gebrauchsgegenstände zu fertigen. Bei der Erschließung und dem Abbau der Schwermetalle fallen große Mengen von Abraum an. Die Entsorgung dieses Abraums führt zur Entstehung anthropogen veränderter Böden die z.T. sehr hohe Schwermetallbelastungen aufweisen. Die Überwachung und Erfassung der Belastung von Böden, der Luft und der Gewässer mittels biologischer Organismen oder ganzer biologischer Systeme im Rahmen des Biomonitorings gewinnt immer mehr an Bedeutung. So wurden z.B., Lumbricus terrestris L. (Regenwurm) und Dreissena polymorpha Fall. (Dreikantmuschel) schon vielfach eingesetzt, um die Schwermetallbelastung neben stark befahrenen Autostraßen bzw., in Süßgewässern zu überwachen.

Unter den Hymenopteren stellte sich die Honigbiene Apis mellifera L. als geeigneter Bioindikator zur Erfassung von Schadstoffbelastungen der Umwelt heraus. So stellte DRESCHER eine Liste von Gründen auf, welche die Eignung und die Vorteile der Honigbiene im Biomonitoring besonders verdeutlichen. Der Einsatz von Apis mellifera beschränkte sich in der Regel auf die Untersuchung der Belastung eines Gebietes durch Aerosole. BROMENSHENK konnte nachweisen, dass die Populationsdynamik und der Honigertrag von Apis mellifera negativ mit dem Schadstoffgehalt der Bienen korreliert ist.

Zusammenfassung:

In der vorliegenden Arbeit wurde am Beispiel von vier Schwermetallen (Cd, Pb, Zn, Cu) untersucht, ob umweltbelastende Stoffe aus entsprechend belasteten Böden, über die Blütenprodukte Pollen und Nektar der anzutreffenden Vegetation von den Arbeiterinnen eines Volkes der Dunklen Erdhummel Bombus terrestris L. aufgenommen werden. Weiterhin galt es zu untersuchen, ob diese Schadstoffe innerhalb des Hummelvolkes an die Brutstadien - Larve und Puppe - weitergegeben werden und inwieweit sie auch in den anderen Komponenten eines Hummelvolkes - Kokons, Wachs und Kot - zu finden sind. Aber nicht nur die grundsätzliche Klärung der Frage, ob eine Weitergabe erfolgt, war von Interesse, sondern auch inwieweit sich eine Akkumulation, ausgehend vom belasteten Boden über die Vegetation in den verschiedenen Komponenten eines Hummelvolkes erkennen lässt. LINDQUIST et al. untersuchten die Metallbelastung von Hummelköniginnen von vier Arten der Gattung Bombus und einer Art der Gattung Psithyrus. Sie fanden heraus, dass die Konzentrationen von Cadmium, gefolgt von Kupfer geringer waren als die von Eisen und Zink. Innerhalb der vier Bombus-Arten traten keine signifikanten Unterschiede auf Die Psithyrus-Art hingegen wies einen wesentlich geringeren Gehalt an Eisen auf Da die von DRESCHER angeführten Gründe für die Eignung der Honigbiene als Monitororganismus im wesentlichen auch auf die dunkle Erdhummel zutreffen, war ein weiterer wesentlicher Aspekt der vorliegenden Untersuchungen, in Abhängigkeit der Ergebnisse zu bewerten, ob sich ein Volk der Erdhummel Bombus terrestris mit seinen Komponenten zur Bioindikation der Schwermetallbelastung von Böden eignet und welche Komponenten den größten Zeigerwert aufweisen. Darüber hinaus sollte auch geprüft werden, ob die Erdhummel aufgrund der folgenden Eigenschaften nicht besser als die Honigbiene für das Biomonitoring von Schwermetallbelastungen, insbesondere kleinerer Areale geeignet ist:

- Hummelvölker sind aufgrund der Weiterentwicklung der Aufzuchtmethoden ganzjährig kommerziell erhältlich und damit während des Untersuchungszeitraumes jederzeit verfügbar.

- Es steht ein längerer Untersuchungszeitraum als bei Apis mellifera zur Verfügung.

- Der Flugradius ist in der Regel kleiner als der Flugradius der Honigbiene.

- Zu Analysezwecken lassen sich mehr Komponenten entnehmen.

- Bombus terrestris ist unempfindlicher gegenüber unwirtlichen Witterungsbedingungen.

- Die Handhabung der Hummelvölker ist grundsätzlich einfacher.

Nach der Auswahl unterschiedlich stark schwermetallbelasteter Untersuchungsstandorte, erfolgte an jedem Standort die Entnahme von Bodenproben und Proben der vorhandenen Vegetation, um ein Bild von der Höhe der vorliegenden Belastung sowohl des Bodens als auch der Pflanzen durch die vier Schwermetalle zu erhalten. Danach wurden an jedem Standort während der Vegetationsperiode in drei aufeinander folgenden Zeiträumen Versuchsvölker mit max. 50 Arbeiterinnen aufgestellt. Diese verblieben für die Dauer von ca. 21 Tagen am Standort. Nach der Rücküberführung der Völker erfolgten die Entnahme der einzelnen Komponenten und deren Analyse, um die Schwermetallgehalte zu ermitteln.

Während die Völker an den Standorten aufgestellt waren, wurden die folgenden Untersuchungen durchgeführt:

- Vegetationsaufnahme.

- Beobachtung der Flug- und Sammelaktivität.

Da die vier untersuchten Schwermetalle unterschiedliche Toxizität, Verfügbarkeit sowie ernährungsphysiologische Bedeutung und damit auch eine unterschiedliche ökologische Relevanz besitzen, wurden die Untersuchungen zunächst getrennt nach den Elementen vorgenommen. In einem abschließenden Vergleich und einer abschließenden Bewertung erfolgte eine Gewichtung der vier Schwermetalle. Im Grundsatz wurde der Klärung der folgenden Fragen nachgegangen:

- Erfolgt eine Aufnahme der Schwermetalle durch die Arbeiterinnen eines Hummelvolkes in Abhängigkeit von der Konzentration in der Bodenlösung der verschiedenen Standorte?

- Erfolgt eine Weitergabe der Schwermetalle innerhalb des Hummelvolkes und lässt sich eine Gesetzmäßigkeit im Hinblick auf die Konzentrationen in den einzelnen Brutstadien und Komponenten des Volkes erkennen?

- Kommt es zur Akkumulation der Schwermetalle in einzelnen bzw. allen Komponenten des Hummelvolkes?

- Ist die Erdhummel Bombus terrestris respektive sind die Komponenten ihrer Völker ein geeigneter Bioindikator, um die Höhe der Schwermetallbelastung von Böden nachzuweisen?

- Ist die Erdhummel als Bioindikator besser geeignet als die Honigbiene Apis mellifera?

Inhaltsverzeichnis:

1.	Einleitung	1
2.	Zur Biologie der Dunklen Erdhummel, Bombus terrestris L.	4
3.	Bioindikation und Biomonitoring	8
3.1	Definition und Bedeutung	8
3.2	Apoidea als Bioindikatoren	12
4.	Die Schwermetalle Blei, Cadmium, Zink und Kupfer	15
4.1	Definition und Bedeutung	15
4.2	Ursprung der Schwermetalle im Boden	18
4.2.1	Die Bindungsarten der Schwermetalle im Boden	19
4.3	Die Schwermetallaufnahme durch den Organismus und deren physiologische Wirkung	23
5.	Material und Methoden	28
5.1	Die Hummelaufzucht und die Versuchsvölker	28
5.1.1	Die ganzjährige systematische Haltung und Aufzucht der Dunklen Erdhummel Bombus terrestris L.	28
5.1.2	Aufstellen der Versuchsvölker	31
5.2	Auswahl der Versuchsstandorte	33
5.2.1	Die Auswahlkriterien	33
5.3	Die Versuchsstandorte	34
5.3.1	Zur Geographie der Untersuchungsgebiete im Großraum Bonn	35
5.3.2	Erläuterungen zum Standort Institut	36
5.3.3	Erläuterungen zu den Standorten Siegaue 1 und 2	37
5.3.4	Erläuterungen zum Standort Grube Laura	39
5.3.5	Zur Geographie der Untersuchungsgebiete der Mechernicher Triasbucht	40
5.3.6	Erläuterungen zu den Standorten in der Mechernicher Triasbucht	41
5.4	Klima der Standorte	43
5.4.1	Zum Klima der Standorte Institut - Siegaue 1, 2 - Grube Laura	41
5.4.2	Zum Klima der Standorte in der Mechernicher Triasbucht	44
5.5	Untersuchungen an den Standorten	45
5.5.1	Die Bodenuntersuchungen	45
5.5.2	Die Vegetationsaufnahme und Bestimmung der Trachtpflanzen	46
5.5.3	Die Entnahme der Blütenproben	46
5.5.4	Die Beobachtung der Flug- und Sammelaktivität	46
5.6	Die Aufbereitung und Analyse der Proben	47
5.6.1	Die Bodenproben	47
5.6.2	Die Proben der Hummelkomponenten und Bluten	49
5.7	Die Laborversuche	51
5.8	Das Prinzip des AAS und des Graphitrohres	52
6.	Ergebnisse	53
6.1	Ergebnisse der Bodenuntersuchungen	53
6.1.1	Schwermetallgehalte der Böden in den Untersuchungsgebieten	53
6.1.2	Vergleich der Schwermetallgehalte der Böden in den Untersuchungsgebieten	60
6.2	Ergebnisse der Vegetationsuntersuchungen	64
6.3	Ergebnisse der Blütenanalysen	66
6.4	Ergebnisse zur Beobachtung der Sammel- und Flugaktivität	74
6.5	Ergebnisse der Analysen der Hummelkomponenten	75
6.5.1	Analysenergebnisse der Freilandvölker	75
6.5.2	Analysenergebnisse der Laborvölker	81
7.	Diskussion	88
7.1	Der Boden	88
7.2	Die Vegetation	89
7.3	Die Hummelkomponenten	91
7.4.	Schlussbetrachtung	96
8.	Zusammenfassung	98
9.	Literatur	101
10.	Anhang	105