voorkomen. De in dit artikel beschreven Plassen als ...
Transcript of voorkomen. De in dit artikel beschreven Plassen als ...
P L A T F O R M
Fosfaatstatus van Loosdrechtse Plassen als monitorings-instrumcnt voor herstel
DR. M. DIGNUM, NEDERLANDS INSTITUUT VOOR ECOLOGIE - CENTRUM VOOR LIMNOLOGIE
DRS. J. HOFSTRA, DIENST WATERBEHEER EN RIOLERING
DRS. B. VAN DER WAL, STICHTING TOEGEPAST ONDERZOEK WATERBEHEER
De Universiteit van Amsterdam en liet Centrum voor Limnologie in Nieuwerslms ontwikkelen een
nieuwe methode voor het bepalen van de beschikbaarheid van fosfaat voor jytoplankton m meren
waar de concentratie fosfaat al zeer laag is. De techniek is 1112001 met succes toegepast in de Loos
drechtse Plassen, waar een verdere reductie van de (os/aatbelustuig noodzakelijk is voor ecologisch
herstel. De toepassing werpt ecu nieuw licht op de voedingstoestand 111 het meer. Kennis over de mate
van fos/aatgebrek 111 her water maakt het mogelijk om de ejjccieu van herstclmaatregelcn op de ont
wikkeling van individuele (vtoplaiiktonsoorten te kunnen volgen. In 2003 is de methode opnieuw
toegepast 111 liet Loosdrechtse Plasseugebicd, 111 samenwerking met de Dienst Waterbeheer en
Riolering eu de Stichting Toegepast Onderzoek Waterbeheer.
Uitbundige fytoplanktongroei in het
oppervlaktewater zorgt voor verstoring van
ecosystemen, de drinkwatervoorziening en het
zwemplezier. De veelgebruikte methoden om
de waterkwaliteit te bepalen, zoals chemische
bepalingen van opgeloste en gesuspendeerde
stoffen en biologische tellingen van indicator
organismen, geven wel informatie over de hui
dige toestand van een meer, maar geven onvol
doende inzicht in hoe de situatie verbeterd kan
worden. Ondanks jarenlange inspanningen
om de eutrofiëring van Nederlandse meren
terug te dringen, hebben de maatregelen in
veel gevallen nog niet het gewenste effect
gehad; veel meren worden nog steeds gedomi
neerd door fytoplankton. Daarom is aanvul
lend onderzoek nodig, dat de wisselwerking
tussen licht, nutriënten en fytoplankton in
beschouwing neemt. Fosfaat speelt daarbij een
sleutelrol. De vraag is wat nodig is om water te
laten omslaan van troebel naar helder en hoe
we zichtbaar kunnen maken hoe ver we nog
van het omslagpunt verwijderd zijn.
In vergelijking met de geëutrofiëerde toe
stand worden de fytoplanktoncellen nabij het
omslagpunt naar een helder systeem geken
merkt door fosfaatgelimiteerde groei en ver
laagde vitaliteit. De mate waarin afzonderlijke
fytoplanktonpopulaties in hun groei gelimi
teerd zijn door fosfaat, vormt dus een belang
rijk kenmerk voor de voedingstoestand van een
meer. Dit kan het beste worden gemeten aan
de hand van de fysiologische kenmerken van
de fytoplanktoncellen zelf
Kennis over de mate waarin fosfaat
beschikbaar ofjuist beperkend voor het fyto
plankton is, is voor waterbeheerders noodzake
lijk om te bepalen welk pakket van maat
regelen zij moeten nemen om algenbloei te
voorkomen. De in dit artikel beschreven
methode voor de bepaling van de fosfaatstatus
van fytoplankton kan dan een belangrijk in
strument blijken te zijn.
Loosdrechtse Plassen De Loosdrechtse Plassen zijn representatief
voor veel Nederlandse laagveenwateren. Eutro
fiëring van deze meren is het gevolg van lang
durig verhoogde externe toevoer van fosfaat in
de twintigste eeuw. Door de grote hoeveelheid
kennis die is verzameld over dit gebied, dient
het als een modelsysteem voor de beoordeling
van het effect van reductie van fosfaattoevoer
in Nederlandse meren1'. Vanaf 1984 heeft de
provincie Utrecht maatregelen genomen om
de externe fosfaattoevoer te beperken. Deze
maatregelen zijn vanaf t997 voortgezet door
het hoogheemraadschap Amstel, Gooi en Vecht
(AGV), de huidige waterbeheerder.
Omdat de maatregelen nog niet het
gewenste resultaat hebben gehad, heeft AGV
samen met de Stuurgroep Loosdrechtse Plassen
een herstelplan ontwikkeld. Dit heeft als doel
om de oorspronkelijke helderheid van de plas-
Afo. 1: Flowcytometrische scheiding vanjytoplanktotiijroepen uit de Loosdrechtse Plassen (West-End, 02-09-2003).
A: Eukaryote algen (zowel groenalgen als diatomeeën); B: draadvormige cyanobactenen zonderjycoc/anine
(Prochlorothnx hollandica); C: Cyanobacteriën metjyeocyanine (voornamelijk de draadvormige Limnothnx
sp.); D: Detritus (dode cellen).
O 05 S O 3
è o S-H
O
U
640 log
Phycocyanine-fluorescentie
26 H 2 0 1.6-2004
P L A T F O R M
£ 200 E
<Z 150
;<Ë 100 0) o
ra •Q 50 o n I I DJH
13 14 15 19 20 24 26 30 31 34 36 38 40 42 45 47 48 50 51
Week
c 60 -
- 4 0 IS
ra 20 n o e ra >. O
B
aan n 13 14 15 19 20 24 26 30 31 34 36 38 40 42 45 47 48 50 51
Week
Afo. 2 : ELF-syjnaal in natuurlijke populaties van de voornaamste soorten cyanobacteriën in de Loosdrechtse Plassen, Limnothrix sp. (A) en Prochlorothrix hollandica (B). Deeltje,
met ELF-sujnaal zijn aangeven in blauw, deeltjes zonder ELF-s(gnaai indeel.
sen, te herstellen en de ophoping van bagger in
jachthavens en watergangen te beperken. De
gekozen aanpak is verminderen van de reste
rende fosfaatbelasting en aanleg van plaatse
lijke verdiepingen2'.
De Loosdrechtse Plassen zijn in een case
study voor de implementatie van de Europese
Kaderrichtlijn Water getypeerd als sterk veran
derde wateren. Maar er gaan ook stemmen op
om de ondiepe veenmeren als kunstmatige
wateren aan te wijzen. Ongeacht deze keuze
zullen voor ondiepe veenmeren normen
worden gedefinieerd die afgeleid zijn van ver
gelijkbare natuurlijke watertypen. De ecologi
sche ambitie die daarbij gekozen wordt, is
momenteel onderwerp van politieke discus
sies. Hoe hoger deze ambitie, des te zwaarder
de opgave voor het waterbeheer. Vast staat dat
voor (veen)meren ook voor het fytoplankton
een norm moet worden opgesteld, die bereikt
moet zijn in 2015.
De belangrijkste indicatoren voor de actu
ele conditie van een meer zijn chlorofylconcen-
tratie, doorzicht, totaal-fosfaatconcentratie en
fytoplanktonsamcnstelling. De huidige norm
waarden voor deze indicatoren bestrijden ech
ter de eutrofiëring niet3'. De concentratie chlo-
rofyl a in de Loosdrechtse Plassen is gedaald
van meer dan 100 ug/1 (de normwaarde voor
ondiepe meren in Nederland) in de periode
1982-1990 tot ongeveer 60-80 ug/1 in het afgelo
pen decennium. Het doorzicht is rond 1995
toegenomen tot boven de normwaarde van
ongeveer 40 cm, maar ligt nog ver onder de
zwemwaternorm (één meter) en de ecologische
normdoelstelling (twee meter, wat overeen
komt met doorzicht tot op de bodem). De
zomergemiddelde concentratie van totaal-fos
faat in de Loosdrechtse Plassen is gedaald van
meer dan 100 (jg/1 in de periode 1982 -1990 tot
ongeveer 60 ug/1 in het afgelopen decennium.
Voor zwaar geëurrofiëcrde ondiepe meren met
cyanobacteriën-dominantie zal de ecologische
doelstelling, helder water, waarschijnlijk pas
gehaald worden bij een streefwaarde voor
totaal-fosfaat lager dan 50 ug/P'. Meringen van
concentraties opgelosr reactief fosfaar (DRP)
zouden meer inzicht moeten geven in de voe
dingsstatus van een meer. Doordat bacteriën
en algen deze vorm van fosfaat echter snel
opnemen, is de concentratie zelfs in geëutro-
fiëerde meren vaak zeer laag. DRP-metingen in
de Loosdrechtse Plassen liggen sinds 1998 gro
tendeels onder de detectiegrens van de
gebruikte fotometrische analyses (10 pg/1;
NEN-standaard 6663:1983). Deze metingen zijn
daarom niet bruikbaar als maat voor de voe
dingsstatus met betrekking tot fosfaat.
De waargenomen lichte verbeteringen
hebben niet geleid tot een omslag naar de
gewenste ecologische toestand. Integendeel,
fytoplanktontellingen laten zien dat, naast een
sterke seizoensvariatie, het aantal draadvormi-
ge cyanobacteriën in de Loosdrechtse Plassen
(meer dan 90 procent van het fytoplankton in
dit meer) in de periode 1984-1993 licht is toe
genomen en in de periode 1997-2003 stabiel is
gebleven4'. Dit wordt waarschijnlijk veroor
zaakt door het vermogen dat cyanobacteriën
hebben om zich aan te passen aan zeer lage
fosfaatconcentraties en lage lichtintensiteit.
Fosfatase-activiteit indicator voor voedingsstatus
In een nutriëntenarm ecosysteem kan een
groot aantal soorten naast elkaar bestaan,
doordat er een lage maar constante stroom is
van stoffen en energie door het systeem. Sub
tiele verschillen in omzetting- en opname
capaciteiten zorgen ervoor dat sterk gelijkende
organismen hun eigen niche vinden. Fyto-
planktoncellen die te maken krijgen met een
(tijdelijk) verminderde beschikbaarheid van
nutriënten, zullen zich aanpassen om hun
groei te handhaven. Groenalgen en diato-
meeën zijn meestal dominant tijdens het
begin van het eutrofiëringsproces. Wanneer
een meer erg troebel geworden is, zijn cyano
bacteriën in het voordeel, omdat ze door hun
pigmentsamenstelling beter met weinig licht
kunnen groeien. Bovendien kunnen cyanobac
teriën efficiënt groeien bij zeer lage fosfaatcon
centraties. Fosfatase-activiteit is een veelge
bruikte indicator voor de mate van fosfaatlimi-
tatie in fytoplankton.
Het probleem met traditionele meetme
thoden is dat onbekend is welke cellen de
activiteit veroorzaken; dit kunnen zelfs hetero-
trofe bacteriën zijn. Het nieuwe ELF-97-fosfa-
tasesubstraat (ELFP) vormt microkristallen op
de plek van de enzymatische activiteit. Hier
mee kan de activiteit aan individuele cellen
worden toegewezen5'. Deze methode is breed
inzetbaar en is specifiek voor fosfaat.
In de toekomst willen het NIOO en de
Universiteit van Amsterdam meer fluorescente
kleuringen gaan gebruiken, bijvoorbeeld om
de opslag van fosfaat en de hoeveelheid DNA in
de cellen te bepalen. Verder wordt gebruik
gemaakt van de natuurlijke variabiliteit in het
voorkomen van de stabiele koolstofisotoop I3C
in de vetzuren van het fytoplankton. De ver
houding waarin de meest voorkomende iso
toop 12C en de zeldzame isotoop '3C worden
ingebouwd in de cel, is afhankelijk van cellu
laire omzettingssnelheden. Omdat elke soort
een karakteristiek vetzuurprofiel heeft, kan de I2C/13C ratio van vetzuren worden gerelateerd
aan de groeisnelheid van specifieke fytoplank
ton populaties6'. De combinatie van flowcyto-
metrie, fluorescente kleuring en isotopen-ratio
massaspectrometrie geeft een uniek inzicht in
de actuele voedingsstatus van afzonderlijke
fytoplanktonpopulaties.
Fosfaatstatus Loosdrechtse Plassen Meerdere soorten fytoplankton leven naast
elkaar in de Loosdrechtse Plassen. De groepen
kunnen, moeizaam, worden onderscheiden
met behulp van microscopie, en veel gemakke
lijker en sneller met flowcytometrie. Door de
oranje fluorescentie van het voor cyanobacte
riën karakterisrieke pigment fycocyanine uit te
zetten tegen de rode chlorofyl fluorescentie,
kan onderscheid gemaakt worden tussen
cyanobacteriën enerzijds en diatomeeën en
groenalgen anderzijds (afbeelding 1). De domi-
H 2 O ns-2004 27
P L A T F O R M
Groeisnelheid: 0.02
_ 200
150 -
0.36 0.40
:2 100
50
1 Week
Afo. j : ELF-signaal eiijjroeisuelheden in LimnotK-
rix-populaties uit de Loosdrechtse Plassen,
tijdens cjroci m een laboratorium enclosure.
Aan 130 LLoosdrecht water werd continue
medium met een overmaat fosfaat toecje-
voerjd. Deeltjes met ELF-sicjnaal zijn aange
geven in blauw, deeltjes zouder ELF-sicjnaal
indeel. Groeisnelheden zijn bepaald uit de
relatieve incorporatie van de ' 'C isotoop in
vetzuren van de cellen.
nante draadvormige cyanobacteriën (meer dan
90 procent van het totale fytoplankton) lijken
sterk op elkaar. De in dit meer ontdekte soort
Prochlorothrix hollandico heeft een voor cyano
bacteriën unieke pigmentsamenstelling en kan
daardoor worden onderscheiden van de meest
voorkomende soort Limnothrix sp. De ELF-97
kleuringstechniek is eerst getest op isolaten
van beide soorten. In sterk fosfaatgelimiteerde
batchculturen van Limnothrix sp.-isolaat MRi
was ongeveer de helft ELF-gckleurd, terwijl dit
in een fosfaatrijke cultuur maar bij enkele pro
centen het geval was. Uit deze metingen blijkt
dat Limnothrix-cellen fosfatase-enzymen aan
maken wanneer ze een gebrek hebben aan fos
faat, in tegenstelling tot P. hollcmdica5'.
In 2001 is de ELF-methode voor het eerst
toegepast op veldmonsters uit de Loosdrechtse
Plassen (afbeelding 2). Hieruit blijkt dat in voor
jaar en najaar ongeveer de helft van de Limno-
thrix-populatie het ELF-signaal had, vergelijk
baar met een fosfaatgelimiteerde batchcultuur.
In de lente werd toen 130 liter water uit de
Loosdrechtse Plassen geïncubeerd onder conti
nue toevoeging van medium met fosfaat in een
'Laboratory Scale Enclosure' (LSE). De verdun
ningssnelheid (0,05 per dag) kwam overeen met
typische groeisnelheden van cyanobacteriën in
natuurlijke omstandigheden (0,02-0,10 per dag).
De groeisnelheid van de Limnotfirix-groep, die
aan het begin van het experiment met de kool-
stof-isotopenmethode gevonden is, bedroeg 0,02
per dag. Op de eerste dag van het experiment
had ongeveer 45 procent van de Limnothrix-dra-
den het ELF-signaal (afbeelding 3). Het aantal
nam sterk toe, terwijl het aantal met ELF-sig
naal afnam tot 15 procent na één week en tot 5,5
procent na twee weken.
De meeste nieuw gevormde cellen hadden
dus geen ELF-signaal. De groeisnelheid
bedroeg respectievelijk 0,36 en 0,40 per dag,
veel hoger dan in veldmonsters gevonden was.
Deze resultaten bewijzen dat de groei van Lim
nothrix sp. in de Loosdrechtse Plassen in de len
te van 2001 sterk fosfaatgelimiteerd was en dat
de ELF-methode geschikt is om fosfaatlimita-
tie in deze soort aan te tonen. In de zomer, de
periode dat de Limuothrix-populatie een maxi
mum bereikte, hadden echter veel minder cel
len het ELF-signaal. Dit wijst op een verhoogde
beschikbaarheid van fosfaat, waardoor de
Prochlorothnx-populatie kon gaan groeien.
Deze resultaten laten duidelijk zien dat
men met de ELF-methode een genuanceerd
beeld kan krijgen van de fosfaatstatus van fyto-
planktonpopulaties in een meer, terwijl de
concentratie opgelost fosfaat nauwelijks meer
meetbaar is. De ELF-methode levert ook aan
wijzingen op dat verschillen in aanpassing aan
fosfaat- en lichtbeperking een rol spelen de
competitie tussen Limnothrix en Prochlorothrix
in het meer. Dit is een interessant onderwerp
voor verdere studie.
Ondanks goede ervaringen in 2001 zijn in
2003 problemen bij de toepassing van de ELF-
kleuringsmethode ontstaan. Ten eerste bleek
uit tijdreeksen dat vertraging kan optreden in
het zichtbaar worden van het ELF-signaal. Ten
tweede veroorzaakte de excitatie met UV-licht,
zoals nodig voor de kleuringsmethode, een
heel hoog achtergrondsignaal bij gebruik van
het fixeermiddel glutaaraldehyde. Dit achter
grondsignaal overlapte met het minder sterke
ELF-signaal, waardoor dit slecht meetbaar was.
Kleuring van ongefrxeerde monsters veroor
zaakte samenklontering en breken van de fila
menten. Dir probleem kan worden opgelost
door gebruik te maken van een speciale flowcy-
Om routinematig toegepast te kunnen
worden, moer de ELF-methode nog verder
getest, gekalibreerd en gevalideerd worden.
Hiertoe is een onderzoeksvoorstel ingediend
bij de Stichting Technische Wetenschappen. In
dit toekomstige project zal aandacht worden
besteed aan uitbreiding van de kennis over fos-
fatase-activiteit van fytoplanktonsoorten die
voorkomen in andere meren, ontwikkeling van
aanvullende fluorescente kleuringstechnieken
én experimenteel en theoretisch onderzoek
naar de competitie om organisch fosfaat. '
LITERATUUR
ij Gulati R. en E. van Donk (2002). Lakes m the Nether
lands, their origins, eutrophication and restoration: state-
of-the-art review. Hydrobiol. nr. 478, pag. 71-106.
2) VoortJ., R. Koomans en). Hofstra f2003]. Slibbalans
Loosdrechtse Plassen. H : 0 nr. 21, pag. 13-15.
3) Van Liere L. en D. Jonkers (2002J. Watertypegerichre norm
stelling voor nutriënten in oppervlaktewater. RIVM-rap-
port 703715005.
4) Digntmt M. (looj). Phosphate uptake proteins as markers
for the nuttient status of freshwater cyanobactetia. Acade
misch proe/schri/r Universiteit van Amsterdam.
5] Dignum M.T H. Hoogveld, H. Matthijs, H. Laanbroek en
R. Pel f2004]. Detecting the phosphate status of phyto-
plankton by enzyme labelled fluorescence and flow cyto
metry. FEMS Microbiol. Ecol. nr. 48, pag. 29-1&.
6) Pel R-, H. Hoogveld en V. Fions f2003]. Using the hidden
isotopic hetetogeneity in phyto- and zoöplankton to
unmask disparity in trophic carbon transfer. Limnol. Oee-
anogr. nr. 48, pag. 2200-2207.
7] Dubelaar G., P. Gerntzen, A. Beeker, R. Jonker en K. Tan-
gen [1999). Design andjirsr results of the CytoBuoy: A
witeless flow cytometer/or in situ analysis of marine and
fresh waters. Cytometry nr. 37, pag. 247-254.
» H 2 0 - id .2004