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Gudrun Dietl:

Abhängigkeit der Schwermetallaufnahme höherer Pilze von der Substratzusammensetzung und von Standortsfaktoren

[Intake of heavy metals of higher fungi depending on the composition of substrates and on site parameters]

1987. 178 Seiten, 14 Abbildungen, 37 Tabellen, Anhang, 14x22cm, 350 g
Language: Deutsch

(Bibliotheca Mycologica, Band 110)

ISBN 978-3-443-59011-6, brosch., price: 36.00 €

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Contents

Inhaltsbeschreibung top ↑

1. Die Richtigkeit des verwendeten Analysenverfahrens wurde mit Hilfe von Standardreferenzmaterialien sowie anhand eines Methodenvergleichs durch unabhängige Verfahren (RFA, NAA, AAS) in zwei Labors überprüft.
Als Kontrollmaterial dienten im letzteren Fall selbstgezüchtete Champignons (Agaricus bisporus) aus Versuchsansätzen mit unterschiedlich hoher Cd-Konzentration.
2. Steigende Cd-Zusätze (stets in Form des Nitrats) zum Substrat hemmen das Myzelwachstum von A. bisporus zunehmend bis hin zur vollständigen Wachstumsunterdrückung.
Ca-Zusatz (ebenfalls als Nitrat) fördert das Myzelwachstum und verschiebt in Kombination mit Cadmium die Toxizitätsgrenze zu höheren Cd-Konzentrationen hin.
3. Anders als beim Myzelwachstum bewirken steigende Cd-Zusätze keinen kontinuierlichen Produktionsrückgang; vielmehr fällt die Produktion erst in der Nähe der Toleranzgrenze schlagartig ab, um bei noch höheren Cd-Gaben ganz auszubleiben.
Die Toleranzgrenze der Fruchtkörperbildung (562 mg Cd/kg TS) liegt niedriger als die des Myzelwachstums (1124 mg/kg TS).
4. Schwefelsäurezusatz verringert die Produktion, vor allem in Kombination mit hohen Cd-Zugaben.
Durch Ca-Zusatz läßt sich dagegen die Fruchtkörperproduktion steigern. Gleichzeitige Cd-Gaben schwächen diese fördernde Wirkung nur geringfügig ab. Die Toleranzgrenze für die Fruchtkörperbildung liegt hier niedriger als für die Versuchsansätze mit alleiniger Cd-Zugabe.
5. In molaren Größenordnungen zunehmende Cd-Gaben führen bei A. bisporus zu ebenfalls in den entsprechenden Größenordnungen ansteigenden Cd-Gehalten. Es besteht dabei eine nahezu lineare Abhängigkeit zwischen Cd-Zusatz zum Substrat und der Cd-Konzentration in den Fruchtkörpern.
Durch weitere, gleichzeitige Substratzusätze (Schwefelsäure bzw. Ca-Nitrat) wird die Cd-Aufnahme zwar modifiziert, die grundsätzliche Abhängigkeit von der Cd-Substratkonzentration bleibt aber bestehen.
6. Bei gegebenem Cd-Zusatz zum Substrat erhöht Schwefelsäurezugabe die Cd-Aufnahme (in der 1. Ernte um fast das Doppelte), aber auch steigende Ca-Zugaben verursachen eine beträchtliche Zunahme der Cd-Konzentration in den Fruchtkörpern.
7. Die Cu-Aufnahme von A. bisporus steigt auf dieselbe Weise wie beim Cadmium an, obwohl die Cu-Konzentrationen der Substrate aller Versuchsansätze gleich hoch waren. Daraus resultiert eine strenge, hochsignifikante Korrelation zwischen Cd- und Cu-Gehalt in den Fruchtkörpern.
Die Stärke der Korrelation hängt vom Cd-Angebot im Substrat ab; so besteht bei niedrigem Angebot keine Korrelation, zunehmende Cd-Gaben läßt sie oberhalb eines bestimmten Schwellenwertes sprunghaft ansteigen, während bei den höchsten Cd-Substratkonzentrationen die Korrelationskoeffizienten fast den Wert 1 erreichen.
8. Die Ag-Konzentration des Substrates lag unterhalb der Nachweisgrenze, so daß aus den Ag-Gehalten der Fruchtkörper auf eine sehr effektive Anreicherung geschlossen werden muß. Blei konnte dagegen weder in den Fruchtkörpern noch im Substrat nachgewiesen werden.
9. Die Cd-‚ Cu- und Ag-Gehalte in Pilzen aus nacheinander folgenden Ernten eines Versuchsansatzes wechseln Unregelmäßig, wobei Pilze späterer Ernten oft höhere Schwermetallkonzentrationen aufweisen. Dies wird auf die Veränderung der Substratzusammensetzung durch die Um- und Abbauvorgänge des Pilzmyzels zurückgeführt.
10. Junge Pilzfruchtkörper enthalten höhere Schwermetallkonzentrationen als ausgereifte Exemplare. 11. Diese Zuchtversuche zeigen, daß A. bisporus zur Herstellung von Standardmaterialien verschiedenster Metallkonzentrationen und -kombinationen geeignet ist.
12. Die Streuung im Cd-, Cu- und Ag-Gehalt einer dicht beieinander stehenden Gruppe von Rettichhelmlingen (Mycena pura s.l.) ist genauso groß wie bei den gezüchteten Champignons aus einer Ernte eines Versuchsansatzes.
Hierin drückt sich die natürliche Variabilität bei gegebenen Standortverhältnissen an einem jeden Sammelpunkt bzw. im Fall von A. bisporus bei konstanten Versuchsbedingungen aus.
13. Die Cd-Gehalte der vier nahe verwandten Arten der Rettichhelmlinge (Mycena pura s.str.‚ M. rosea, M. pelianthina, M. diosma) unterscheiden sich nicht, wenn sie zufällig an einem Sammelpunkt gemeinsam vorkamen.
14. Vor allem in den Fichtenwäldern ist das Phänomen zu beobachten, daß sich innerhalb einer Fläche und sogar an einem Sammelpunkt zwei Kollektive von Rettichhelmlingen finden, die sich in ihrem Cd-Gehalt um etwa eine Zehnerpotenz unterscheiden; dazwischen liegende Werte treten nicht auf.
15. Die Häufigkeitsverteilung der Cd-Gehalte in Rettichhelmlingen aus einer Waldfläche ergibt für Laubwälder eine linksgipflig schiefe Verteilung. Für Nadelwaldflächen ist eine zweigipflige Verteilung mit einem kleinen Gipfel im niederen und einem breiten Maximum im hohen Cd-Konzentrationsbereich typisch, worin sich die Existenz der beiden oben genannten Pilzkollektive ausdrückt.
16. Der Median aus den Cd-Gehalten aller Rettichhelmlinge einer Untersuchungsfläche weist jeweils einen für diese Waldfläche charakteristisch hohen Betrag auf, der in Pilzen aus verschiedenen Sammeljahren konstant bleibt.
17. Rettichhelmlinge aus Nadelwäldern enthalten mehr Cadmium als solche aus Laubwäldern.
Dies zeigt sich zum einen an den Cd-Medianwerten direkt benachbarter und zum anderen in der Häufigkeitsverteilung der Mediane aller Nadel- und Laubwaldflächen. Der häufigste Cd-Medianwert liegt bei den Nadelwäldern mit 16 — 18 mg/kg TG annähernd doppelt so hoch wie bei den Laubwäldern (7 — 12 mg Cd/kg TG).
18. In den verschiedenen Regionen der Schwäbischen Alb treten charakteristische Unterschiede in den Cd-Gehalten der Rettichhelmlinge auf.
Ausschließlich niedrige Werte kommen z.B. am Südrand der Ulmer und Heidenheimer Alb vor, durchweg hohe Gehalte sind auf der Reutlinger Alb zu finden, die höchsten Konzentrationen sind auf dem Härtsfeld innerhalb eines Geländes ehemaliger Bohnerzgruben zu beobachten.
19. Die Cd- und Cu-Gehalte in Rettichhelmlingen sind mäßig stark miteinander korrelliert. Das Ausmaß der Korrelation hängt dabei vom jeweiligen Standort ab.
20. Die gleichmäßig niedrigen Ag-Gehalte in Rettichhelmlingen lassen schließen, daß dieses Element im Gegensatz zu Cadmium gegenüber der Konzentration im Boden nicht angereichert wird.
21. Die Pb-Gehalte in Rettichhelmlingen aus Wäldern an stark befahrenen Autostraßen sind beträchtlich erhöht. Mit zunehmendem Abstand vom Straßenrand nimmt die Pb-Konzentration dabei exponentiell ab.
22. In Wäldern weitab von Straßen liegen die Pb-Gehalte der Rettichhelmlinge gleichermaßen niedrig; Unterschiede zwischen Laub- und Nadelwäldern sind kaum feststellbar.
23. Aus den Zuchtversuchen und den Ergebnissen der Freilanduntersuchungen ist zu folgern, daß häufig vorkommende und schwermetallakkumulierende Pilzarten wie z.B. die Rettichhelmlinge (Mycena pura s.l.) sehr gut als Bioindikatoren für Schwermetalle in Böden geeignet sind.

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1. Quality control of analytical methods used was achieved by standard reference materials (NBS) and a comparison of independent methods (RFA, NAA, AAS) in two different laboratories. Our own reference material consisted of under controlled conditions cultured mushrooms (Agaricus bisporus) from experiments with different amounts of cadmium added to the substrate.
2. The mycelial growth of A. bisporus is slowed down when small amounts of cadmium, in the form of nitrate, is added to the substrate. Increasing Cd-addition to the substrate leads finally to no growth of the mycelium.
Addition of calcium nitrate stimulates the growth of mycelium. Acute toxicity for Cd in the presence of Ca-addition is moved towards higher Cd-concentrations.
3. Increasing Cd-additions cause no continuous reduction of fruit body production in contrast to the mycelial growth.
There is a sudden decrease in the production of fruit bodies near to the threshold tolerance. If further Cd is added fruit body production ceases.
The threshold tolerance for the production of fruit bodies is lower (562 mg Cd/kg TS) than the one for mycelial growth (1124 mg Cd/kg TS) (TS = dry weight of substrate).
4. The addition of sulfuric acid reduces the fruit body production especially in combination with high Cd-amounts. However, addition of calcium leads to increasing fruit body production. In experiments with combinations of Cd and Ca this stimulating effect is only less diminished.
The threshold tolerance for fruit body production lies therefore lower than in experimental sets with Cd-addition only.
5. The addition of Cd to the substrate in increasing molar concentration steps leads also to stepwise increasing Cd- content in the mushroom A. bisporus. A nearly linear relationship between the Cd-addition to substrate and Cd-content in the fruit bodies was found.
Simultaneously added Ca-nitrate or sulfuric acid modifies the Cd-accumulation, but the linear relationship between the above mentioned parameters is always observed.
6. Cd-accumulation in fruit bodies can be increased by sulfuric acid addition in combination with a given Cd-concentration. As an example a double Cd-amount in fruit bodies of first harvest was found. But also increasing Ca-additions to substrate cause an important rise in Cd-concentration in the fruit bodies.
7. Copper accumulation in A. bisporus increases in the same way as already discussed for cadmium, although the Cu-concentration of substrate of all experimental sets was the same. Therefore a strong, high significant correlation between Cd- and Cu-content in fruit bodies was observed.
The degree of the correlation depends on the Cd-amount in the substrate: at low Cd-amounts no correlation was found, whereas at increasing Cd-amounts above a definite threshold value the relation was stronger correlated. The highest Cd-concentrations in the substrate yielded correlation coefficients close to one.
8. The silver concentration in the substrate is below the limit of detection. The Ag-content in the fruit bodies therefore suggest an effective accumulation capacity of A. bisporus, since silver was well detected.
On the other hand lead was below detection limit as well in fruit bodies as in the substrate.
9. The Cd-, Cu- and Ag-contents in the mushrooms of successively following harvests of one experimental set change irregularly. Mushrooms of later harvests contain often higher heavy metal concentrations.
The reason for this is the nature of the culture substrate: Due to the decomposing processes of mycelium and microbial growth the composition of the substrate is changing during the experiments.
10. Young fruit bodies contain more heavy metals than fully developed ones.
11. These cultivation and contamination experiments demonstrate, that A. bisporus is suitable for the production of standard reference materials with different heavy metal concentrations as single major elements or their combinations.
12. The standard deviation of the Cd-, Cu- and Ag-content in Mycena pura 5.1., which were growing very close together in forests, is as much as in the cultivated mushrooms A. bisporus of one harvest and in one experimental set.
In the forest population the natural occuring variability is expressed by the existing habitat conditions of each collection site and in the case of A. bisporus by constant experimental conditions.
13. Cd-content of four closely related species of Mycena pura 5.1. (M. pura s.str., M. rosea, M. pelianthina, M. diosma) show no difference, if they occur accidentally to gether at one collection site.
14. In coniferous forests an important phenomenon was observed: Within a forest stand and even one collection site two collectives of Mycena pura may occur, which differ in their Cd-content by about the power of ten. But mushrooms with intermediate Cd-values were not found.
15. The frequency distribution of the Cd-contents in Mycena pura of one forest stand shows for deciduous forests a left centered skewed distribution. For coniferous forests a bimodal distribution with a little center in the lower and a wide maximum in the higher region of Cd-concentrations could be stated. This is also again ample evidence for the two collectives, perhaps chemotypes, as pointed out earlier.
16. The median of the Cd-contents in all Mycena pura of one collection site shows a characteristic high amount for this forest stand, which remains constant in mushrooms from different years.
17. Mycena pura growing in coniferous forests contain more cadmium than those from deciduous forests.
This can be shown if the Cd-medians of coniferous and deciduous forests in neighbourhood are considered and also if the different frequency distribution of the medians of all investigated coniferous and deciduous forests are compared. In coniferous forests the frequent Cd-median lies with 16—18 mg/kg dry weight (DW) nearly as twice as in deciduous forests (7—12 mg/kg DW).
18. The Cd-contents in Mycena pura from different regions of the Swabian Mountains (Schwabische Alb, SW-Germany) show characteristic differences. Low Cd-contents occur for example on the southern sites of the mountains close the cities of Ulm and Heidenheim. High Cd-contents are to be found in the region of Reutlingen, whereas the highest Cd-concentrations could be detected in the "Härtsfeld" area. This geographical area has a history of small surface-pitmining ("Bohnerzgruben") for ferric pea ores.
19. The correlation between Cd- and Cu-content in Mycena pura is only moderate strong. The amount of the correlation depends basically on the respective habitat.
20. From the low Ag-content of Mycena pura can be concluded that this element is not accumulated in fruit bodies, when soil available silver is considered. In cadmium, however, an accumulation in these mushrooms is observed when compared to the soil extractable amounts.
21. The Pb-content in Mycena pura from forests along frequent used highways is considerably higher. The Pb-concentration decreases exponentially with increasing distance from the highway.
22. The Pb-content in Mycena pura is always low in forests far away from highways. Differences between coniferous and deciduous forests are very small.
23. From culture experiments under controlled conditions and results from field studies with Mycena pura the conclusion is drawn, that frequent occuring and heavy metal accumulating mushroom species like Mycena pura can be. used as bioindicators of heavv metals in soils.

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EINLEITUNG 1
MATERIAL UND METHODEN 6
1.1 Wildwachsende Pilze: Standorte und Probennahme 6
1.2 Zuchtchampignon (Agaricus bisporus (Lge.) Sing.):
Ansetzen der Kulturen, Kontamination der Substrate und Probennahme 6
1.3 pH-Wert und austauschbare $chwermetallfraktion der Substrate 11
1.4 Aufschlußmethoden 11
1.4.1 Vorbereitungen für die Aufschlüsse 11
1.4.2 Naßveraschung 12
1.4.3 Druckaufschluß in Teflongefäßen 13
1.5 Chemikalien 13
1.6 Schwermetallmessungen 13
1.6.1 Allgemeine Meßbedingungen 13
1.6.2 Optimierung des Temperaturprogramms für die
Pilzmatrix und die Substratproben (Na-Acetat-Bodenextrakte) 14
1.7 Analysenkontrolle 17
1.8 Auswertung 18
1.9 Datenaufbereitung und statistische Berechnung 18
1.10 Erläuterungen und Abkürzungsverzeichnis 19
ERGEBNISSE 20
2. Qualitätskontrolle der Analysen 20
2.1 Überprüfung des Verfahrens mit Hilfe von Standardreferenzmaterialien 20
2.2 Überprüfung der Richtigkeit der Analysen durch
einen Methodenvergleich 22
3. Einfluß verschiedener Substratzusätze auf Myzelwachstum
und Fruchtkörperproduktion von Agaricus bisporus 25
3.1 Myzelwachstum 25
3.2 Fruchtkörperproduktion 25
3.2.1 Steigende Cd-Zugabe zum Substrat ohne weitere
Zusätze (Versuchsansätze II.13-18) 25
3.2.2 Steigende Cd-Zugabe zum Substrat bei jeweils
10 020 mg/kg TS Calcium (als Nitrat) (Versuchsansätze II.21-25) 26
3.2.3 Steigende Cd-Zugabe zum Substrat bei jeweils
20 040 mg/kg TS Calcium (als Nitrat) (Versuchsansätze II.29-31) 28
3.2.4 Steigende Cd-Zugabe bei jeweils 1 l H2SO4-Zusatz (pH 4)
(Versuchsansätze II.33-35) 29

3.2.5 Einfluß der Substratzusätze Ca-Nitrat und Schwefelsäure 29
4. Schwermetallgehalte in Zuchtchampignons (Agaricus bisporus) 32
4.1 Einfluß steigender Cd-Zugaben zum Substrat auf die Schwermetallaufnahme 32
4.1.1 Cd-Gehalte 32
4.1.2 Cd-Gehalte 34
4.1.3 Ag-Gehalte 37
4.1.4 Pb-Gehalte 39
4.2 Korrelation zwischen Cd- und Cu-Gehalt im Fruchtkörper 39
4.3 Einfluß der Substratzusätze Ca-Nitrat und Schwefelsäure bei steigenden
Cd-Zugaben auf die Schwermetallaufnahme 43
4.3.1 Cd-Gehalte 43
4.3.2 Cu-Gehalte 48
4.3.3 Ag-Gehalte 48
4.4 Cd- Cu- und Ag-Gehalte von jungen und reifen
Pilzexemplaren einer Ernte 48
4.5 Schwermetallgehalte in Zuchtchampignons aus
mehreren Ernten eines Versuchsansatzes 50
5. Austauschbare Schwermetallfraktion der Substrate 50
5.1 Cd-Gehalte 50
5.2 Cu-Gehalte 54
5.3 Ag- und Pb-Gehalte 54
6. pH-Werte der Zuchtsubstrate 54
7. Schwermetallgehalte in Rettichhelmlingen (Mycena
pura, M. rosea, M. pelianthina, M. diosma) aus
Laub- und Nadelwäldern der Schwäbischen Alb 58
7.1 Cd-Gehalte in Rettichhelmlingen 58
7.1.1 Cd-Gehalte von Rettichhelmlingen innerhalb einer
Laub- und Nadelwaldfläche 58
7.1.1.1 Variationsbreite in einer Probe 58
7.1.1.2 Vergleich der vier Mycena-Arten an jeweils
einem Sammelpunkt 59
7.1.1.3 Häufigkeitsverteilung in Laub- und Nadelwäldern 61
7.1.2 Mediane der Cd-Gehalte von Rettichhelmlingen aus
verschiedenen Laub- und Nadelwaldflächen 64
7.1.2.1 Benachbarte Laub- und Nadelwälder 64
7.1.2.2 Waldflächen in verschiedenen Sammeljahren 65
7.1.3 Mediane der Cd-Gehalte von Rettichhelmlingen
aller untersuchten Laub- und Nadelwaldflächen 67
7.1.3.1 Häufigkeitsverteilung der Mediane 67
7.1.3.2 Mediane aus verschiedenen Regionen der Schwäbischen Alb 69
7.2 Pb-Gehalte von Rettichhelmlingen aus Laub- und
Nadelwäldern der Schwäbischen Alb 78
7.2.1 Wälder weitab von Autostraßen 78
7.2.2 Waldflächen entlang stark befahrener Autostraßen 79
7.3 Cu-Gehalte in Rettichhelmlingen 81
7.4 Korrelation zwischen Cu- und Cd-Gehalt in Rettichhelmlingen 82
7.5 Ag-Gehalte in Rettichhelmlingen 83
DISKUSSION 84
8. Qualitätskontrolle der Analysen anhand von
Standardreferenzmaterialien und unabhängiger Verfahren 84
9. Einfluß der Substratzusätze auf Myzelwachstum,
Fruchtkörperproduktion und Schwermetallaufnahme von Agaricas bisporus 88
a) Myzelwachstum 88
b) Fruchtkörperproduktion 90
c) Abhängigkeit der Schwermetallaufnahme von Substratzusätzen 95
10. Schwermetallgehalte in Rettichhelmlingen (Mycena
pura s.l.) in Abhängigkeit vom Standort 109
a) Cd-Gehalte in Rettichhelmlingen 109
b) Cu-Gehalte in Rettichhelmlingen 119
c) Ag-Gehalte in Rettichhelmlingen 121
d) Pb-Gehalte in Rettichhelmlingen 122
11. Pilze als Bioindikatoren 127
ZUSAMMENFASSUNG 129
LITERATURVERZEICHNIS 133
ANHANG (Tabellen I - III) 157
SUMMARY 175