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CO2-Gaswechsel-Untersuchungen zur SO2-Resistenz von Flechten

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Summary

The SO2 resistance of 12 lichen species with different growth forms and taken from different sites was investigated. The thalli were either exposed to different concentrations of SO2 gas (concentration at entry into the cuvette: 0.5; 1.0; 2.0 and 4.0 mg SO2/m3 air) or treated with Na2S2O5 solutions of differing concentration and pH. As a viability criterion the CO2 exchange of the thalli was measured with an infrared gas analyzer before and immediately after SO2 exposure and subsequently at intervals of several weeks. In some cases the chlorophyll content was also determined.

  1. 1.

    Species-specific differences were clearly apparent in the SO2 gas-exposure experiments. The influence of SO2 on net photosynthesis and dark respiration in the most sensitive species was detectable after exposure to 0.5 mg SO2/m3 for 14 h in a fully hydrated state. The photosynthetic intensity of Lobaria pulmonaria was actually irreversibly damaged. In contrast, the most resistant species survived a treatment with 4 mg SO2/m3 for the same length of time with little or no permanent impairment of their CO2 exchange. The reaction of the lichen species investigated to the above treatment allows us to arrange them in decreasing order of resistance: Xanthoria parietina (most resistant), Parmelia scortea, Parmelia acetabulum, Hypogymnia physodes, Parmelia saxatilis, Platismatia glauca, Labaria pumonaria, Parmelia stenophylla, Evernia prunastri. The most sensitive species, Evernia prunastri, is characteristically a fruticose lichen. Lichens with this growth form are known from field studies to be especially sensitive.

  2. 2.

    Examples of the same species (Parmelia saxatilis, Lobaria pulmonaria) can vary in their SO2 resistance according to their growing site. Morphological and anatomical characteristics (thallus and cortex thickness) may cause these differences.

  3. 3.

    The sensitivity of the lichens to SO2 is closely dependent upon their moisture status. When the water potential is lowered the SO2 uptake is reduced and with it the injury. Dried thalli survive high SO2 concentrations in their surroundings without damage.

  4. 4.

    The treatment with Na2S2O5 solutions also brought out species-specific differences in lichen resistance. However, the sequence of decreasing resistance is not the same as that to SO2 gas treatment. Irreversible damage of photosynthesis is not necessarily correlated with destruction of chlorophyll.

  5. 5.

    The damage caused to the lichens by the Na2S2O5 solutions (of the same concentration) is closely dependent upon the pH of the medium. At a low pH the effect is much more pronounced than at a high pH. This can be interpreted as due to the concentration of damaging ions, which changes according to the degree of dissociation of the solution; this is pH dependent.

The results are discussed on the basis of Levitt's resistance concept that the total resistance of lichens to SO2 in the air is dependent upon two components, „avoidance” and „tolerance” (see Fig. 15). Resistance to a specific SO2 concentration in the air depends upon how much SO2 is taken up by the thallus, which is conditioned among other things by thallus organization (life form, surface characteristics) and by the degree of hydration of the poikilohydric organism. The toxicity of the SO2 taken up by the lichen can also be reduced; the pH of the thallus and its buffering capacity (dependent among other things upon site and substrate) play a dominant role in this process. In addition to these „avoidance” factors the total resistance of lichens is also dependent upon the plasmatic resistance of sensitive systems to SO2 (“tolerance”). This type of resistance, due to the influence of Na2S2O5 solution, is subject to considerable deviation (for example due to the developmental state of the lichen). The differences in the sequence of resistance for the investigated lichen species in terms of total resistance (SO2 treatment) and plasmatic resistance (Na2S2O5 solution treatment) show the significance of the “avoidance” component for the total resistance of the organisms.

In ecological terms the investigation supports the view that lichens are highly sensitive to SO2, even in concentrations which occur due to real immisions. The study also shows the complexity of an ecological interpretation of experimentally determined resistance phenomena.

Zusammenfassung

Es wurde die SO2-Resistenz von 12 Flechtenarten verschiedener Wuchsformen und Standorte untersucht. Hierzu wurden die Thalli einerseits mit SO2 begast (Konzentrationsstufen am Eingang der Begasungsküvette 0,5; 1,0; 2,0 und 4,0 mg SO2/m3 Luft) oder andererseits mit Na2S2O5-Lösungen unterschiedlicher Konzentrationen und pH-Werte behandelt. Als Vitalitätskriterium wurde der CO2-Gaswechsel der Thalli vor der SO2-Begasung, unmittelbar danach und darauffolgend in Abständen im Verlauf von mehreren Wochen mit dem Ultrarotabsorptionsschreiber verfolgt. Außerdem wurden in einigen Fällen die Chlorophyllgehalte bestimmt.

  1. 1.

    Bei den Begasungsexperimenten treten deutliche artspezifische Resistenzunterschiede auf. Die empfindlichsten Arten zeigen im voll hydratisierten Zustand bereits nach 14stündiger Behandlung mit 0.5 mg SO2/m3 eine Beeinflussung der Nettophotosynthese und Dunkelatmung; die Photosyntheseintensität von Labaria pulmonaria ist sogar irreversibel geschädigt. Die widerstandsfähigsten Arten überleben dagegen eine gleichlange Behandlung mit 4 mg SO2/m3 nur mit geringer oder ohne bleibende Beeinträchtigung ihres CO2-Gaswechsels. Nach ihrer Reaktion auf diese Behandlung ergibt sich folgende Abstufung der Widerstandsfähigkeit der untersuchten Arten: Xanthoria parietina (resistenteste Art), Parmelia scortea, Parmelia acetabulum, Hypogymnia physodes, Parmelia saxatilis, Platismatia glauca, Labaria pulmonaria, Parmelia stenophylla, Evernia prunastri. Die empfindlichste Art, Evernia prunastri, ist bezeichnenderweise eine Strauchflechte. Flechten mit dieser Wuchsform sind auch von Geländeuntersuchungen her als besonders empfindlich bekannt.

  2. 2.

    Exemplare der gleichen Art (Parmelia saxatilis, Lobaria pulmonaria) können sich entsprechend ihrer Standorte in der SO2-Resistenz unterscheiden. Morphologisch-anatomische Merkmale (Thallus-und Cortexdicke) bedingen möglicherweise diese Unterschiede.

  3. 3.

    Die Empfindlichkeit der Flechten gegen SO2-Begasung ist stark von ihrem Wasserzustand abhängig. Bei abnehmendem Wasserpotential vermindert sich die SO2-Aufnahme und damit die Schädigung. Ausgetrocknete Thalli überleben hohe SO2-Konzentrationen in ihrer Umgebung ohne Beeinträchtigung.

  4. 4.

    Auch bei der Behandlung mit Na2S2O5-Lösungen treten artspezifische Unterschiede in der Widerstandsfähigkeit der Flechten auf. Die Reihenfolge in der Abstufung der Resistenz stimmt hier jedoch nicht mit der nach SO2-Begasung überein. Irreversible Schädigungen der Photosynthese sind nicht unbedingt mit einer Zerstörung des Chlorophylls korreliert.

  5. 5.

    Die Schädigung der Flechten hängt bei gleicher Na2S2O5-Konzentration wesentlich vom pH-Wert des Mediums ab; bei niedrigem pH ist die Wirkung bedeutend stärker als bei hohem. Das kann bekanntermaßen dadurch gedeutet werden, daß die Konzentrationen an schädigenden Ionen im Gleichgewichtssystem der dissoziierten Lösung pH-abhängig ist.

Die Ergebnisse werden in Anlehnung an das Resistenz-Konzept Levitts unter dem Gesichtspunkt diskutiert, daß die Gesamt-Resistenz der Flechten gegen SO2 im Luftraum von 2 Komponenten bestimmt wird, der „avoidance” und der „tolerance” (vgl. Abb. 15). Einerseits hängt die Widerstandsfähigkeit bei gegebener Außenkonzentration davon ab, wieviel SO2 in den Thallus aufgenommen wird, was u. a. durch die Thallusorganisation (Lebensform, Oberflächenbeschaffenheit) und durch den augenblicklichen Quellungsgrad des poikilohydren Organismus bestimmt wird. Außerdem kann die Toxizität des aufgenommenen SO2 erniedrigt werden, wobei der pH-Wert im Thallus und seine Pufferkapazität (bedingt u.a. durch Standort und Substrat) eine ausschlaggebende Rolle spielen. Neben diesen „avoidance”-Faktoren wird die Gesamtresistenz der Flechten andererseits von der plasmatischen Widerstandsfähigkeit der empfindlichen Systeme gegen das aufgenommene SO2 bestimmt („tolerance”). Auch diese durch Einwirkung der Na2S2O5-Lösungen bestimmte Resistenz ist gewissen Schwankungen, z.B. mit dem Entwicklungszustand der Flechten, unterworfen. Die Unterschiede in der Abstufung der untersuchten Arten nach Gesamt-Resistenz (SO2-Begasung) und plasmatischer Resistenz (Na2S2O5-Lösungen) zeigen die Bedeutung der „avoidance”-Komponente für die Gesamt-Resistenz der Organismen.

In ökologischer Hinsicht bestätigen die Untersuchungen die hohe Empfindlichkeit von Flechten gegenüber SO2-Belastung, auch in Konzentrationen, wie sie bei tatsächlichen Immissionen auftreten können. Andererseits zeigt sich die Kompliziertheit der ökologischen Interpretation experimentall ermittelter Resistenzphänomene.

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Literatur

  • Arnold, F.: Zur Lichenenflora von München. Ber. Bayer. Bot. Ges. 2, 1–76 (1892)

    Google Scholar 

  • Arnon, D. I.: Copper enzymes in isolated chloroplasts. Polyphenoloxydase in Beta vulgaris. Plant Physiol. 24, 1–15 (1949)

    Google Scholar 

  • Baddley, M. S., Ferry, B. W., Finegan, E. J.: A new method of measuring lichen respiration: Response of selected species to temperature, pH and sulphur dioxide. Lichenologist 5, 18–25 (1971)

    Google Scholar 

  • Baddley, M. S., Ferry, B. W., Finegan, E. J.: The effects of sulphur dioxide on lichen respiration. Lichenologist 5, 283–291 (1972)

    Google Scholar 

  • Börtitz, S., Ranft, H.: Zur SO2- und HF-Empfindlichkeit von Flechten und Moosen. Biol. Zbl. 91, 613–623 (1972)

    Google Scholar 

  • Bortenschlager, S., Schmidt, H.: Lutfverunreinigung und Flechtenverbreitung in Linz. Ber. Naturwiss.-Med. Ver. Innsbruck 53, 23–27 (1963)

    Google Scholar 

  • Brightman, F. H.: Some factors influencing lichen growth in towns. Lichenologist 1, 104–108 (1959)

    Google Scholar 

  • Brodo, I.: Transplant experiments with corticolous lichens using a new technique. Ecology 42, 838–841 (1961)

    Google Scholar 

  • Bruinsma, J.: The quantitative analysis of chlorophylls a and b in plant extracts. Photochem. Photobiol. 2, 241–249 (1963)

    Google Scholar 

  • Coker, P. D.: The effects of sulfur dioxide pollution on bark epiphytes. Trans. Brit. Bryol. Soc. 5, 341–347 (1967)

    Google Scholar 

  • Couey, H. M.: Inhibition of germination of Alternia spores by sulphur dioxide under various moisture conditions. Phytopathology 55, 525–527 (1965)

    Google Scholar 

  • Couey, H. M., Uota, M.: Effects of concentration, exposure time, temperature and relative humidity on the toxicity of sulphur dioxide to the spores of Botrytis cinerea. Phytopathology 51, 815–819 (1961)

    Google Scholar 

  • Dässler, H.-G., Ranft, H.: Das Verhalten von Flechten und Moosen unter dem Einfluß einer Schwefeldioxidbegasung. Flora, Abt. B, 158, 454–461 (1969)

    Google Scholar 

  • D'Ans-Lax: Taschenbuch für Chemiker und Physiker, Bd. 1. Berlin-Heidelberg-New York: Springer 1967

    Google Scholar 

  • DeSloover, J., LeBlanc, F.: Mapping of atmospheric pollution on the basis of lichen sensitivity, p. 42–56. In: Proc. of the Symposion on Recent Advances in Tropical Ecology, R. Misra, B. Gopal, Eds. India: Varanasi 1968

  • Domrös, M.: Luftverunreinigung und Stadtklima im Rheinisch-Westfälischen Industriegebiet und ihre Auswirkung auf den Flechtenbewuchs der Bäume. Arbeiten zur Rheinischen Landeskunde 23, 132 p. (1966)

  • Erichsen, C. F. E.: Beiträge zur Flechtenflora der Umgebung von Hamburg und Holstein. Verh. Naturw. Ver. Hamburg 13, 44–104 (1905)

    Google Scholar 

  • Feige, B.: Untersuchungen zum Kohlenstoff- und Phosphatstoffwechsel der Flechten unter Verwendung radioaktiver Isotope. Dissertation, Würzburg (1967)

  • Fenton, A. F.: Lichens as indicators of atmospheric pollution. Irish Nat. J. 13, 153–158 (1960)

    Google Scholar 

  • Georgii, H.-W., Dommermuth, H., Weber, E.: Untersuchung der SO2-Konzentrationsverteilung einer Großstadt in Abhängigkeit von meteorologischen Einfluß-größen. Berichte des Institutes für Meteorologie und Geophysik der Universität Frankfurt/Main 14, 55 p. (1968)

  • Gilbert, O. L.: Lichens as indicators of air pollution in the Tyne Valley, p. 35–47. In: Ecology and the industrial society, G. T. Goodman et al., Eds. Oxford: Blackwell 1965

    Google Scholar 

  • Gilbert, O. L.: The effect of SO2 on lichens and bryophytes around Newcastle upon Tyne, p. 223–235. In: Air pollution. Proc. of the First European Congress on the Influence of Air Pollution on Plants and Animals, Wageningen 1968. Wageningen: Pudoc 1969

    Google Scholar 

  • Gilbert, O. L.: A biological scale for the estimation of sulphur dioxide pollution. New Phytol. 69, 629–634 (1970a)

    Google Scholar 

  • Gilbert, O. L.: Further studies on the effect of sulphur dioxide on lichens and bryophytes. New Phytol. 69, 605–627 (1970b)

    Google Scholar 

  • Harris, G. P.: The ecology of corticolous lichens. II. The relationship between physiology and the environment. J. Ecol. 59, 441–452 (1971)

    Google Scholar 

  • Haugsja, P. K.: Über den Einfluß der Stadt Oslo auf die Flechtenvegetation der Bäume. Nyt. Mag. Naturvidensk. 68, 1–116 (1930)

    Google Scholar 

  • Hawsworth, D. L., Rose, F.: Qualitative scale for estimating sulphur dioxide air pollution in England and Wales using epiphytic lichens. Nature (Lond.) 227, 145–148 (1970)

    Google Scholar 

  • Hill, D. J.: Experimental study of the effect of sulfite on lichens with reference to atmospheric pollution. New Phytol. 70, 831–836 (1971)

    Google Scholar 

  • Kappen, L., Lange, O. L.: Die Kälteresistenz einiger Makrolichenen. Flora 161, 1–29 (1972)

    Google Scholar 

  • Kershaw, K. A.: The relationship between moisture content and net assimilation rate of lichen thalli and its ecological significance. Canad. J. Bot. 50, 543–555 (1972)

    Google Scholar 

  • Lange, O. L.: Hitze- und Trockenresistenz der Flechten in Beziehung zu ihrer Verbreitung. Flora 140, 39–96 (1953)

    Google Scholar 

  • Lange, O. L.: Der CO2-Gaswechsel von Flechten nach Erwärmung im feuchten Zustand. Ber. dtsch. bot. Ges. 78, 441–454 (1965)

    Google Scholar 

  • Lange, O. L.: CO2-Gaswechsel der Flechte Cladonia alcicornis nach langfristigem Aufenthalt bei tiefen Temperaturen. Flora, Abt. B. 156, 500–502 (1966)

    Google Scholar 

  • Lange, O. L., Kappen, L.: Photosynthesis of lichens from Antarctica. Antarctic Research Series, Vol. 20, p. 83–95. Washington, D.C.: AGU 1972

    Google Scholar 

  • BeBlanc, F., DeSloover, J.: Relation between industrialisation and the distribution and growth of epiphytic lichens and mosses in Montreal. Canad. J. Bot. 48, 1485–1496 (1970)

    Google Scholar 

  • LeBlanc, F., Rao, D. N.: Evaluation of the pollution and drought hypothesis in relation to lichens and bryophytes in urban environments. Bryologist 76, 1–19 (1973a)

    Google Scholar 

  • LeBlanc, F., Rao, D. N.: Effects of sulfur dioxide on lichen and moss transplants. Ecology 54, 612–617 (1973b)

    Google Scholar 

  • Levitt, J.: Responses of plants to environmental stresses. New York-London: Academic Press 1972

    Google Scholar 

  • Lüttge, U., Osmond, C. B., Ball, E., Brinckmann, E., Kinze, G.: Bisulfite compounds as metabolic inhibitors: nonspecific effects on membranes. Plant & Cell Physiol. 13, 505–514 (1972)

    Google Scholar 

  • Nash III, T. H.: Sensitivity of lichens to sulfur dioxide. Bryologist 76, 333–339 (1973)

    Google Scholar 

  • Pearson, L., Skye, E.: Air pollution affects pattern of photosynthesis in Parmelia sulcata, a corticolous lichen. Science 148, 1600–1602 (1965)

    Google Scholar 

  • Puckett, K. J., Nieboer, E., Flora, W. P., Richardson, D. H. S.: Sulphur dioxide: Its effect on photosynthetic 14C fixation in lichens and suggested mechanisms of phytotoxicity. New Phytol. 72, 141–154 (1973)

    Google Scholar 

  • Rao, D. N., LeBlanc, F.: Effects of sulfur dioxide on the lichen algae, with special reference to chlorophyll. Bryologist 69, 69–75 (1966)

    Google Scholar 

  • Rao, D. N., LeBlanc, F.: Influence of an iron sintering plant on corticolous epiphytes in Wawa, Ontario. Bryologist 70, 141–157 (1967)

    Google Scholar 

  • Ried, A.: Stoffwechsel und Verbreitungsgrenzen von Flechten. II. Wasser- und Assimilationshaushalt, Entquellungs- und Submersionsresistenz von Krustenflechten benachbarter Standorte. Flora 149, 345–385 (1960)

    Google Scholar 

  • Sauberer, A.: Die Verteilung rindenbewohnender Flechten in Wien, ein bioklimatisches Großstadtproblem. Wetter & Leben 3, 116–121 (1951)

    Google Scholar 

  • Schmid, A. B.: Die epixyle Flechtenvegetation von München. Dissertation, Universität München (1957)

  • Schmid, A.: Fundamental chemistry of sulfur dioxide removal and subsequent recovery via aqueous scrubbing. Int. J. Sulfur Chem., Part B, 7, 11–19 (1972)

    Google Scholar 

  • Schönbeck, H.: Einfluß von Luftverunreinigungen (SO2) auf transplantierte Flechten. Naturwissenschaften 55, 451–452 (1968)

    Google Scholar 

  • Schönbeck, H.: Eine Methode zur Erfassung der biologischen Wirkung von Luftverunreinigungen durch transplantierte Flechten. Staub-Reinhaltung der Luft 29, 14–28 (1969)

    Google Scholar 

  • Seel, F.: Grundlagen der Analytischen Chemie. Weinheim: Verlag Chemie 1967

    Google Scholar 

  • Skye, E.: Luftföroreningars inverkan pa busk- och bladlavfloran kring skifferoljeverket i Närkes Kvarntorp. Svensk. Bot. Tidskr. 52, 133–190 (1958)

    Google Scholar 

  • Skye, E.: Lichens and air pollution: A study of cryptogamic epiphytes and environment in the Stockholm region. Acta Phytogeogr. Suec. 52, 1–123 (1968)

    Google Scholar 

  • Spengler, G.: Die Schwefeloxyde in Rauchgasen und in der Atmosphäre. Dusseldorf: VDI-Verlag 1965

    Google Scholar 

  • Syratt, W. J., Wanstall, P. J.: The effect of sulphur dioxide on epiphytic bryophytes, p. 79–85. In: Air pollution. Proc. of the First European Congress on the Influence of Air Pollution on Plants and Animals, Wageningen 1968. Wageningen: Pudoc 1969

    Google Scholar 

  • Vaarna, V. V.: Helsingen kaupungin puiden ja peusaiden jäkäläkasvisto. Ann. Bot. Soc. Zool.-Bot. Fenn. “Vanamo” 5, 1–32 (1934)

    Google Scholar 

  • Wirth, V.: Die Silikatflechten-Gemeinschaften im außeralpinen Zentraleuropa. Diss. Bot., vol. 17, 325 p. Lehre: Cramer 1972

    Google Scholar 

  • Ziegler, I.: The effect of SO3 −-on the activity of ribulose-1,5-diphosphat carboxylase in isolated spinach chloroplasts. Planta (Berl.) 103, 155–163 (1972)

    Google Scholar 

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Authors and Affiliations

  1. Botanisches Institut II der Universität Würzburg, Würzburg, Bundesrepublick Deutschland

    R. Rürk, V. Wirth & O. L. Lange

Authors
  1. R. Rürk
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  2. V. Wirth
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  3. O. L. Lange
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Rürk, R., Wirth, V. & Lange, O.L. CO2-Gaswechsel-Untersuchungen zur SO2-Resistenz von Flechten. Oecologia 15, 33–64 (1974). https://doi.org/10.1007/BF00345227

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