Untersuchungen über organische Stoffe im Wasser des … · Von JÖRG SCHÜRMANN (Zürich)...

Untersuchungen über organische Stoffeim Wasser des Zürichsees

Von

JÖRG SCHÜRMANN (Zürich)

Inhaltsverzeichnis

I. Vorwort 410

H. Einleitung 411

1. Bedeutung der im Wasser gelösten organischen Stoffe 411

2. Frühere Untersuchungen über organische Stoffe aus Sedimenten und aus Seewasser 413

IH. Problemstellung 414

IV. Jahresverlauf der Uferalgenentwicklung 414

V. Aminosäuren 415

A. Methode 415

l. Entnahmen 415

2. Verarbeitung der Eindampfproben von Stäfa und von Thalwil 416

3. Hydrolyse der Extrakte 417

4. Sackproben 418

5. Qualitative Analyse 419a) Keilstreifenchromatographie 419b) Dünnschichtchromatographie 421c) Nachweis von Leucin und Isoleucin 422d) Nachweis von DL-Alanln, ß-Alanin, Cystln und Cystein 422

6. Quantitative Analyse 422

B. Ergebnisse und Interpratationen 425

1. Gesamtaminosäuren 425

2. Qualitative Ergebnisse 437

3. Quantitative Ergebnisse 437

VI. Anorganische Ionen 445

VH. Vergleich zwischen dem anorganisch gebundenen und dem in den gesamten Amino-säuren enthaltenen Stickstoff 447

VIII. Bakteriologische Teste 450

410 Vierteljahrsschrift der Naturforschenden Gesellschaft in Zürich 1964

IX. Freie Zucker 452

X. UV-absorbierende Substanzen 453

XI. Substanzen, welche im UV fluoreszieren 453

XII. Diskussion 453

XIII. Zusammenfassung, Summary 456

XIV. Literaturverzeichnis 458

XV. Verwendete Substanzen 460

I. Vorwort

Die vorliegende Arbeit wurde angeregt durch meinen verehrten Lehrer, HerrnPD. Dr. E. A. THOMAS. Dr. E. A. THOMAS beschäftigt sich mit Problemen der Massen-entwicklung von Uferalgen am Zürichsee. In diesem Zusammenhange gelang es ihm,Cladophora glomerata unter Laboratoriumsbedingungen in bakterienfreien Reinkul-turen zu züchten. Diese Untersuchungen mit Analysen über im Wasser gelöste, orga-nische Stoffe des natürlichen Biotopes solcher Uferalgen zu ergänzen, erschien alsgegeben. Besondere Bedeutung wurden dem Gehalt und der Art der Aminosäurenim Seewasser beigemessen. Die Resultate über organisch gebundenen Stickstoff inAminosäuren sollen mit dem gesamten Chemismus der anorganischen Ionen, insbe-sondere mit Ammoniak, Nitrit und Nitrat, und den biologischen Erscheinungen wieAlgensukzessionen, Algenwachstum und Keimzahl der Bakterien in Beziehung ge-bracht werden. Erstmals werden hier organische Stoffe aus Zürichseewasser eingehendanalysiert.

Für die Laborarbeiten stand mir ein Platz im Institut für allgemeine Botanik derUniversität zur Verfügung; daneben war es mir möglich, einige Arbeiten im kanto-nalen Laboratorium auszuführen.

Meinen verehrten Lehrern danke ich gerne für ihr Verständnis gegenüber meinerArbeit, so vor allem Herrn PD. Dr. E. A. THOMAS, der die Arbeit förderte, und HerrnProf. Dr. H. WANNER, Direktor des Institutes für allgemeine Botanik, der mich gleich-falls beriet und mir die Apparate und den Laborplatz überliess.

Herrn Dr. D. PovoLEDO vom «Istituto Italiano di Idrobiologia Dott. Marco DeMarchi, Pallanza» verdanke ich wertvolle Anregungen und Hinweise.

Herr Kantonschemiker Dr. M. STAUB gestattete mir, im kantonalen Laboratoriumzu arbeiten. Ich spreche ihm dafür besonderen Dank aus. Ebenso schulde ich denAngestellten der limnologischen Abteilung des kantonalen Laboratoriums grossen Dank. So Herrn W. SCHNEEBELT, Herrn R. SPRING und Herrn A. WEIDMANN, welcheanorganische Analysen und bakteriologische Teste an meinen Proben ausführten.Auch verschafften sie mir Wasserproben aus verschiedenen Seetiefen. FräuleinS. DEMMERLE half mir während fünf Monaten als Halbassistentin. Für ihre gewissen-hafte Arbeit danke ich ihr herzlich.

Jahrgang 109 J. SCHÜRMANN. Organische Stoffe im Wasser des Zürichsees 411

Herrn HUBER, technischer Assistent am Institut für allgemeine Botanik, danke ichan dieser Stelle für seine vielen handwerklichen Hilfeleistungen.

Im Gebiet der kantonalen Fischzuchtanstalt in Stäfa konnte ich in einem Ver-suchsfeld die Wasserproben entnehmen und die Säcke mit den Ionenaustauschern inden See hängen. Der kantonalen Fischereiverwaltung, speziell Herrn STUDER, Fische-reiaufseher, danke ich für das freundliche Entgegenkommen. Mit dem Motorboot derkantonalen Seepolizei war es mir möglich, einige Male die Proben der tiefsten Ste llebei Thalwil zu entnehmen. Den Herren der Kantonspolizei sei dafür gedankt.

Die Berechnungen für statistische Auswertungen konnte ich auf der Rechenma-schine IBM 1620 des Rechenzentrums der Universität ausführen.. Den Herren desRechenzentrums spreche ich meinen Dank aus, Herrn Prof. Dr. KuENzt für das Ver-trauen, den Assistenten Herrn SCHILLING und Herrn MÜLLER für die Hilfe beim Aus-arbeiten und Testen der Programme. Frau Dr. SCHELBER aus dem Wirtschaftswissen-schaftlichen Institut der Universität überliess mir das Programm für einfache lineareKorrelation. Auch ihr sei gedankt.

II. Einleitung

1. Bedeutung der im Wasser gelösten organischen Stoffe

Limnologische Untersuchungen über den Chemismus von Seewasser stützen sichseit ihren Anfängen vorwiegend auf die Analyse der anorganischen Ionen. Obschonmit diesen Methoden grundlegende Erkenntnisse über das Leben in den Seen, überden Chemismus und den Stoffhaushalt, über Schichtungen, Zirkulationen und Um-wälzungen gewonnen wurden, zeigten sich Probleme, die nur gelöst werden können,wenn man auch die organischen Stoffe in die Fragestellung und die Betrachtungsweiseeinbezieht. Mit der Erforschung der Algenphysiologie wurde die Bedeutung der or-ganischen Stoffe für das Algenwachstum erkannt. Die Ergebnisse dieser Forschungs-richtung waren wegweisend für die ersten Untersuchungen von organischen Stoffenin Sedimenten und in Seewasser. Heute hat man mannigfaltige Beweise, dass nebenden anorganischen Komponenten die organischen Stoffe in der Algenphysiologieeine hervorragende Rolle spielen.

a) Bedeutung als Nährstoffe

Es sind fakultativ oder obligat heterotroph lebende Blaualgen bekannt, die in Bio-topen mit schwacher Belichtung und reichem Gehalt an organischen Stoffen, orga-nisch gebundenen Kohlenstoff und Stickstoff verwerten können (HARDER, 1917;ALLISON et al., 1937; ALGIüs, 1948a, -1948b, 1948c). FOGG (1953) urd—Auaus(1948 a und 1948 b) zeigten, dass manche Algen, die autotroph existieren, auch fähigsind, organische Substrate zu verwenden. Dreizehn Spezies verschiedener Gattungen,unter anderm Scenedesnius und Chlorella (ALGEUS, 1948 a und 1948 b), nützen Amino-säuren als Stickstoffquelle aus. Im Basalmedium für Vitaminbestimmungen mit


Euglena ist auch Zucker als Kohlenstoffquelle nötig (HUTNER et al., 1956). Die Algen,welche organische Stoffe für den Energiestoffwechsel und für das Wachstum ausnüt-zen können, sind nicht beschränkt auf eine bestimmte systematische Einheit. Als Sub-strate wurden gefunden: Kohlehydrate, Aldehyde, Ketone, Ester, Fettsäuren, orga-nische Säuren, Aminosäuren und ähnliche stickstoffhaltige Verbindungen (SAUN-DERS, 1957).

b) Bedeutung als Wachstumsfaktoren

Reinkulturen von Algen benötigen oft organische Stoffe als Wachstumsfaktoren.Viele Algen sind auxoheterotroph für Vitamine (FOGG, 1956; KRAUSS, 1958; LUNDund TALLING, 1957; PROVASOLI, 1958; PINTNER und PROVASOLI, 1958). Algen werdendaher oft für Vitaminbestimmungen verwendet, zum Beispiel Euglena (HUTNER et al.,1956; ROBBINS et al., 1950) und Ochromonas malhamensis (FORD, 1953) für die Be-stimmung von Vitamin B 12. Der Bedarf an Wachstumsfaktoren bleibt auch im na-türlichen Biotop erhalten. Wachstumsfaktoren konnten im Seewasser nachgewiesenwerden, so Thiamin (HUTCHINSON, 1943; HUTCHINSON und SETLOW, 1946), Niacin undVitamin B 12 (VIsHNIAc und RILEY, 1961). Über 30 Arten und Unterarten von Algen,unter anderm aus der Klasse der Flagellaten und der Grünalgen, benötigen Wachs-tumsfaktoren oder zeigen ein erhöhtes Wachstum, wenn ihnen bestimmte, organischeStoffe zugeführt werden. Dies gilt nach neuesten Untersuchungen auch für die anden Zürichseeufern dominierenden Gattungen Cladophora und Rhizoclonium (THO-MAS, 1963). Nicht immer konnten die Stoffe mit wachstumsfördernder Wirkung che-misch identifiziert werden (PROVASOLI und PINTNER, 1953; PROVASOLI, 1958).

c) Bedeutung als toxische Substanzen

Seit 1878 sind nach M. und D. SCHWIMMER (1955) rund vierzig Fälle beschriebenworden, in denen Warmblütler durch das Trinken von planktischen Blaualgen ver-schiedener Arten vergiftet wurden. Anderseits können gewisse Ausscheidungen vonBlaualgen auch tödlich wirken auf andere Algen (FLINT und MORELAND, 1946) undin dieser Weise einen wesentlichen Einfluss ausüben auf die sich beim Plankton oftund rasch ablösenden Algensukzessionen. Nach PRATT (1942 und 1944) üben gewisseim Wasser gelöste organische Stoffe in sehr geringen Konzentrationen einen stimulie-renden Einfluss aus auf das Wachstum von Chlorella vulgaris, während die gleichenStoffe in etwas höherer Konzentration das Wachstum hemmen. Diese und weitereUntersuchungen erhärten die Auffassung, dass die im Wasser gelösten toxischen undanderen organischen Stoffe die Zusammensetzung der Biozönosen des Phytoplank-tons weitgehend beeinflussen.

d) Bedeutung als Chelatbildner

Organische Stoffe können als Chelatbildner das Algenwachstum beein flussen(WARTS, 1953). Zu künstlichen Substraten werden oft chelierende Zusätze gegeben,um Niederschläge von schwerlöslichen Eisenverbindungen zu vermeiden. Chelate


können von Zellen auch aufgenommen werden, wie KRAUSS (1957) mit C-14-markier-ter EDTA (Äthylendiaminotetraessigsäure) zeigte. Wie bedeutend diese Substanzenauch im natürlichen Biotop sind, wies RUTTNER (1962) nach, indem er Zusammen-hänge zwischen Chelatbildnern und dem Eisenzyklus in natiirlichem Wasser ent-deckte. Sicher spielen chelatbildende Substanzen eine wichtige Rolle im Schwer-metallstoffwechsel. Obwohl auch einige Aminosäuren als chelatbildende Agenzienwirken können, sind sie nicht fähig, Eisen zu binden (ALBERT, 1950).

2. Frühere Untersuchungen über organische Stoffe aus Sedimenten und aus Seewasser

Alle genannten Befunde über Beziehungen zwischen gelösten, organischen Stoffenund Phytoplankton bilden die Grundlage für die Analyse solcher Substanzen im See-wasser. Sedimente wurden von diesem Gesichtspunkt aus mehrmals untersucht.ZüLLIG (1956) bestimmte in Sedimenten neben dem Gehalt des organisch gebundenenKohlenstoffs und Stickstoffs pflanzliche Pigmentstoffe und Humussäuren und ver-suchte auf Grund der Ergebnisse Schlüsse über den Zustand des Gewässers zu ziehen.In Sedimentextrakten fand man mehrere Zucker: Maltose, Saccharose, Glucose,Fructose, Galactose, Arabinose, Ribose, Xylose und zwei nicht identifizierbare Zuk-ker. Maltose und Glucose herrschten quantitativ vor (WHITTAKER und VALLENTYNE,

1957). BACHOFEN (1960) verglich den Gehalt an Aminosäuren nach Hydrolyse vonSedimentextrakt des Baldegger- und des Hallwilersees mit dem Gehalt von Aminosäure-extrakten aus Planktonhydrolysaten. Der Abbau stickstoffhaltiger, organischer Stoffewurde untersucht, um Faktoren, die derartige Abbauvorgänge beeinflussen, zu ana-lysieren: Temperatur, Mikroorganismen- und Sauerstoffgehalt (voN BRAND undRAKESTRAW, 1940 und 1941). Forschungen über organische Substanzen im Seewassergehen auf das Jahr 1925 zurück. PETERSON et al. (1925) fanden in Oberflächenwassermehrere freie Aminosäuren und bestimmten diese qualitativ. VALLENTYNE (1954)untersuchte organische Stoffe auf breiterer Basis. Er fand im Sediment und im Wasserzweier Seen sehr ähnliche Gehalte der Aminosäuren. Unter den freien Zuckern ausSedimenten dominierte Glucose, deren Betrag den Gehalt der übrigen Zucker wesent-lich überstieg. In filtriertem Seewasser wurden Glucose und Saccharose in geringenMengen festgestellt (bis 10 mg pro m 3) (VALLENTYNE und WHITTAKER, 1956).

In neuerer Zeit befassten sich POVOLEDO (1959, 1960 und 1961) und POVOLEDO undGERLETTI (1962) in mehreren Arbeiten mit Aminosäuren aus Sedimenten und Wasseroberitalienischer Seen. Es gelang ihnen, die ninhydrinpositiv reagierenden Substanzennach Molekelgrösse, Löslichkeit in saurem pH-Bereich und dem Grad der Affinitätzu stark saurem Kationenaustauscher in verschiedene Fraktionen aufzuteilen. Sielieferten damit Ergebnisse über den Gehalt an Aminosäuren, die einerseits in Eiweis-sen, anderseits in Peptiden enthalten sind, und solchen, die an huminsäureähnliche,proteinartige, gefärbte Stoffe gebunden s ind.

Die vorangegangenen Darlegungen zeigen, d ass in allen Arbeiten über organischeStoffe aufschlussreiche Ergebnisse über den Chemismus von Seewasser und Sedimenterhalten wurden. Es erschien daher interessant, ähnliche Untersuchungen auch imZürichsee durchzuführen. Im Vordergrund standen Probleme über die massenhafte

L

414 Vierteljahrsschrift der NaturfoIschenden Gesellschaft in Zürich 1964

Entwicklung von Uferalgen, welche Gegenstand waren von Arbeiten von THOMAS(1960a und b, 1961 a und b, 1962, 1964). Der Ort der Entnahmestellen für die Probenrichtete sich nach diesem Gesichtspunkt.

III. Problemstellung

Die Methode, Ionenaustauscherharze direkt in speziellen Säcken in den See zuhängen, habe ich von POVOLEDO (1960) übernommen. Die Resultate dieser Methodesollen mit direkten Analysen aus Seewasser verglichen werden. Ferner sollen die Er-gebnisse der Zürichseeproben denjenigen der oberitalienischen Seen gegenübergestelltwerden.

Es stellen sich folgende Fragen:Welche Aminosäuren sind in messbaren Mengen in Seewasser nachweisbar? —

In welchen Mengen kommen sie vor, und wie variiert ihr Gehalt im Laufe des Jahresin qualitativer und quantitativer Beziehung? — Bestehen Beziehungen zwischen demGehalt des Seewassers an Aminosäuren und dem Gehalt an Plankton- und Uferalgen?— Welche Zusammenhänge sind erkennbar zwischen dem Spektrum der anorgani-schen Ionen und den Aminosäuren? — Bestehen Unterschiede zwischen den Ufer-proben und den Oberflächenproben des Pelagials, und wie unterscheiden sich dieProben der tiefsten Stelle von den entsprechenden Oberflächenproben?

IV. Jahresverlauf der Uferalgenentwicklung

Das Kapitel soll einen kurzen Überblick der Algenentwicklungen der Uferzonegeben und so den Hintergrund zu den Ergebnissen der Untersuchungen über organi-sche Stoffe bilden. Eine genaue Beschreibung erübrigt sich hier, da es vermessen wäre,auf Grund der Ergebnisse von monatlichen Wasseruntersuchungen Beziehungen zueinzelnen für die gesamte Entwicklung nicht wesentlichen Erscheinungen zu suchen,die ausserdem zeitlich nicht mit einer Probenentnahme zusammenfallen. Es kann auchauf Details verzichtet werden, weil genauere Beschreibungen anderer Jahre bestehen(THOMAS, 1960b, 1961 a) und weil während dieser Untersuchungen im Vergleich zuden Vorjahren keine wesentlichen Unterschiede bezüglich Sukzessionen, Arten do-minierender Uferalgen und Massenentwicklungen festgestellt werden konnten.

Im Winter ist der steinige, an einigen Stellen auch sandige Grund der Uferzone fastdurchwegs mit einem braunen Algenbelag besetzt. Die Steine scheinen eine günstigereUnterlage für den Algenbewuchs zu sein als der sandige Grund, da an bewegten san-digen Stellen keine Algen wachsen. Der Algenbewuchs besteht anfangs Winter vor-wiegend aus kurzen Grünalgenfäden und Kieselalgen. Im Februar und März konntenneben Ulothrix vermehrt Kieselalgen beobachtet werden, vor allem an den Pfählen


des Versuchsfeldes. Auch auf dem Sack mit dem Ionenaustauscher hatten sich wäh-rend der Expositionsdauer Kieselalgen angesiedelt (Diatoma vulgare, Synedra, Navi-cula, Tabellaria fenestrata, Gomphonema, Cymbella; vereinzelt auch die GrünalgeScenedesmus quadricauda).

lin April erschien der Algenbelag am Ufergrund dichter, aber immer noch ver-wiegend bräunlich. Im Mai zeigten sich noch keine bemerkenswerten Änderungen.An den Pfählen wurden die ersten, etwas dichteren Algenaufwüchse gefunden (jungeFäden von Cladophora, noch vereinzelt Ulothrix, wenige fadenförmige Blaualgen).

lin Juni erschien der Bodenbelag grün; er war in dichte Büschel gegliedert. Auseinigen Algenpolstern begannen Algen in die Höhe zu treiben. Die ersten kleinenAlgenbüschel schwammen vereinzelt an der Oberfläche. Die auftreibenden Bäuscheenthielten Spirogyra, Oedogonium und Cladophora glomerata. Die beginnende Mas-senentwicklung wurde Mitte Juni bei stürmischem Wetter durch heftigen Wellen-schlag gestört. Gegen Ende Juni begünstigte ruhiges, sonniges Wetter die Entwicklungder Algen. Die Uferzone war dicht besetzt mit auftreibenden Algenbüscheln; die erstenschwimmenden Algenwatten wurden gebildet. Die Algenwatten in Ufernähe setztensich vorwiegend aus Cladophora glomerata und Rhizoclonium zusammen. In denäussern Uferzonen bildeten Algenwatten von Hydrodictyon schwimmende Rasen. DieWuchsstellen von Hydrodictyon befanden sich in 1-2 m Tiefe; in dieser Zone trafman gleichzeitig nur wenig Aufwuchs von Cladophora und Rhizoclonium. Iin Julihielten die Algenentwicklungen an; Hydrodictyon war an der Massenentwicklungnicht mehr wesentlich beteiligt. Mitte August war die Hauptentwicklung abgeschlos-sen, und es wurden nur noch vereinzelte, schwimmende Algenwatten gefunden; ausdein Bodenbelag trieben nur noch selten Algen in die Höhe. Im September war derBodenbewuchs ganz zurückgebildet und begann bräunlich zu werden.

V. Aminosäuren

A. METHODE

1. Entnahmen

Vom November 1961 bis zum Oktober 1962 wurden in Stäfa in der Bucht der kan-tonalen Fischzuchtanstalt jeden Monat Proben von Uferwasser in einem abgestecktenVersuchsfeld entnommen, welches vom Ufer durch einen Schilfgürtel getrennt ist. Ander tiefsten Stelle des Zürichsees zwischen Thalwil und Herrliberg war es mir möglich,vom März 1962 bis zum Oktober 1962 Oberflächen- und Tiefenproben (130 in) zuentnehmen. Als Vergleich zu den Uferproben von Stäfa dienten zwei ausserhalb desVersuchsfeldes im Pelagial entnommene Oberflächenproben. Die Umstände gestatte-ten es nicht, die Proben der tiefsten Stelle jeweils am gleichen Tage wie jene von Stäfazu entnehmen. Die Entnahmen erfolgten meist am Morgen und in möglichst geringenzeitlichen Abständen.

SeewasserprobeIonenaustauscher-säule

Rotationsei.ndampfer

416 Vierteljahrsschrlft der Naturforschenden Gesellschaft in Zürich 1964

2. Verarbeitung der Eindampfproben von Stäfa und von Thalwil

7

Die monatlich erhobene Probemmenge betrug in Stäfa 10 Liter, in Thalwil an dertiefsten Stelle des Zürichsees ebenfalls 10 Liter im Oberflächenwasser sowie 6-8 Literim Tiefenwasser.

Die Behandlung der Proben nach der Entnahme war die folgende:

— Sofortiges Filtrieren durch ein Planktonnetz von 120-130 u Porengrösse.— Unmittelbar nach dem Transport der Proben ins Laboratorium Filtration durch

ein Membranfilter von 1,2 μ Porengrösse.— Aufbewahrung im Kühlschrank bis zum Eindampfen.— Eindampfen der Proben im Rotationsverdampfer bei 55° C bei 10-15 mm Hg

mit literweiser Zugabe.

Damit die Proben während möglichst kurzer Zeit der Zimmertemperatur ausge-setzt blieben, wurden sie einzeln vom See ins Laboratorium gebracht; nur bei Thalwilerhoben wir zwei Proben am gleichen Tag.

Dem Rotationsverdampfer war eine Ionenaustauschersäule vorgelegt (Fig. 1). Ein

Fig. l. Verarbeitung der Eindampfproben.


Hahn unterhalb der Säule diente zur Regulierung der Durchlaufgeschwindigkeit; siebetrug ca. 5 ml pro Minute; 10 Liter benötigten demnach 30-36 Stunden zum Ein-dampfen. Der Unterdruck im Eindampfer bewirkte das Ansaugen des Wassers durchdie Ionenaustauschersäule. Der Trockenrückstand im Kolben des Rotationsverdamp-fers wurde in destilliertem Wasser gelöst, die Lösung in einem kleinen Spitzkolbennochmals eingedampft und quantitativ aufgenommen. Dieser Extrakt erhält in dervorliegenden Arbeit die Bezeichnung B-Fraktion. Das Destillat wurde verworfen.

Die weitere Verarbeitung geschah in folgender Weise:

— Eluieren der Aminosäuren und der Peptide, welche am Ionenaustauscher adsorbiertwaren, mit 1 n-Ammoniak.

— Eindampfen des Eluates während des Eluierens in einem kleinen Kolben, bis keinAmmoniak mehr darin war.

— Quantitatives Aufnehmen des Extraktes.

Dieser Extrakt heisst fortan A-Fraktion. Die Konzentration der. Extrakte betruggegenüber dem Seewasser das 1000-4000fache. Die Lagerungstemperatur bis zurweiteren Verarbeitung betrug ungefähr —20° C. Die Berechnung der Menge desIonenaustauschers erfolgte auf Grund der anorganischen Kationen und der Härteder Probe. Die Säule wurde mit der dreifachen Menge beschickt, welche nötig gewesenwäre, um alle Kationen zu binden. POVOLEDO (1960) verwendete die fünffache Menge,musste aber mit einem etwas grösseren Verlust an Aminosäuren rechnen (nicht grösserals 30 % in ungünstigen Fällen). Der Durchmesser der Säule betrug 1 cm, die Längedurchschnittlich 24 ein.

In allen Proben wurde die B-Fraktion nach ninhydrinpositiven Substanzen getestet.Das negative Ergebnis zeigte, dass das Volumen der Säule ausreichte, um die Kat-ionen und die ninhydrinpositiven Substanzen zu adsorbieren, und dass ausserdemkeine freien Aminosäuren durch die Säule liefen, weil die Aminogruppe nicht dissoziiertgewesen wäre (zu hohes pk der Aminogruppe).

Als Austauscherharz fand DOWEX 50 W, X 8, 20-50 mesh, Verwendung.Aufarbeitung des Ionenaustauschers :

— Mehrmaliges Spülen mit destilliertem Wasser.— Behandlung mit HC1.— Durchspülen der Säule mit destilliertem Wasser bis zur neutralen Reaktion.

3. Hydrolyse der Extrakte

Ein bestimmter Teil der Extrakte wurde mit 6-n HCl unter Stickstoff in zuge-schmolzenen Reagenzgläschen bei 100-110° während 24 Stunden hydrolysiert. Wäh-rend der Hydrolyse fielen dunkelgefärbte Substanzen aus, welche in den Reagenz-gläschen rasch sedimentierten. Die weitere Verarbeitung war folgende:

— Nach Abschluss der Hydrolyse erfolgte Wegpipettieren des überstehenden Hydro-lysates.

— Aufschlämmen und Zentrifugieren des Satzes mit destilliertem Wasser, dreimal


wiederholt, wobei jeweils das Überstehende mit dem Hydrolysat zusammen einge-dampft wurde.

— Befreien des Hydrolysates von der Salzsäure durch das wiederholte Eindampfen,anschliessend quantitatives Aufnehmen des Hydrolysates.

—Benennung der hydrolysierten Extrakte als AH- bzw. BH-Fraktion.

Im folgenden Schema werden die einzelnen Schritte der Fraktionierung der Probenzusammengefasst dargestellt.

Seewasser

Ionenaustauscher

Ammoniakalisches Eluat der am Ionenaus-tauscher adsorbierten Substanzen =

A-Fraktion.Darin direkt bestimmbar die freien Amino-säuren nach Abdampfen des Ammoniakes.

HydrolyseAH-Fraktion.

Gesamtheit der im Ionenaustauscher fest-gehaltenen freien und peptidischen Amino-

säuren.

Durch Ionenaustauscher passiertes Seewassereingeengt =

B-Fraktion.Freie Aminosäuren fehlen.

l HydrolyseBH-Fraktion.

Gesamtheit der im Ionenaustauscher nichtadsorbierten gebundenen Aminosäuren.

4. Sackproben

Das Ionenaustauscherharz, wie bei POVOLEDO (1960), DOWEX 50 W, X 8, hingin der H+-Form in einem Sack aus feinem Batist während drei Tagen im See. DerSack war in 25 cm lange Abteilungen gegliedert, so dass das Austauscherharz inSäulen von ungefähr 2 cm Durchmesser gepackt war. Ein Sack fasste 500-1000 mldes Austauscherharzes. Der Sack war derart aufgehängt, dass er sich mit der Turbu-lenz des Wassers bewegte. Der Austauscher war nach der Exposition durchgehendgraugrünlich gefärbt, was zeigte, dass die ganze Austauschermasse mit dem Seewasserin Kontakt war. Nach der Exposition wurde der Sack entleert und das Harz, welchesdie erwähnte Farbe angenommen hatte, in einem grossen Glasgefäss mehrmals mitdestilliertem Wasser aufgeschlämmt, bis das Reinigungswasser klar war und der Aus-tauscher wieder die ursprüngliche Farbe angenommen hatte. Nach nochmaligemDurchwaschen des Harzes in einer Säule von 8 cm Durchmesser wurden die Amino-säuren und die anderen ninhydrinpositiven Substanzen mit 1-normalem Ammoniakeluiert. Die Berechnung der Menge des verwendeten Ammoniaks geschah auf Grundder Menge des verwendeten Ionenaustauschers. Das Eluat wurde eingedampft, biskein Ammoniak mehr vorhanden war und darauf quantitativ aufgenommen. DieKonzentration des Extraktes liess sich in Millilitern pro Volumeneinheit des verwen-deten Austauschers berechnen (zum Beispiel 1/rno entspricht 1 ml Extrakt pro100 ml Ionenaustauscher). Die Hydrolyse dieser A-Fraktion erfolgte wie im voran-gehenden Abschnitt beschrieben.


5. Qualitative Analyse

a) Keilstreifenchromatographie

Mit eindimensionaler Papierchromatographie wurden Extrakte aus Vorversuchengetestet, um festzustellen, ob Aminosäuren vorhanden sind und ob die Reinheit derExtrakte für eine befriedigende Trennung genügte. Mit Whatman-3-Papier liess sichdurch Butanol-Eisessig-Wasser keine genügend gute Trennung herbeiführen. Sehrwahrscheinlich störten die unbekannten Substanzen, welche dem Extrakt die gelblicheFarbe verliehen. In weiteren Versuchen wurde die Keilstreifenchromatographie nachMATTHIAS (1954) mit Erfolg angewendet.

Die Trennung war sehr gut, die Empfindlichkeit etwa fünfmal grösser als in dernormalen Papierchromatographie. Ausserdem eignete sich diese Art der Chromato-graphie vorzüglich für Serienuntersuchungen. Die Keilstreifen aus Schleicher undSchuell-Papier 2043 mgl waren 3,9 cm breit und 30 cm lang. Es war möglich, maxi-mal 56 Chromatogramme zusammen in einer Wanne laufen zu lassen, indem man jesieben Keilstreifen auf einen Glasstab spannte, einen etwas dünnern Glasstab durch

Rf - Werte

0,70-Leucin

0,60-

Leucin

0,50-

Methionin

Valin

0,40-

m-Amino-ButtersäureAlan in

Threonin

0,30- Glycinreonin

® Glycin

_► Serin Glutamin-

'Asparaginsäure saure

Asparaginsaure

Arginin-HC1 r ® Histidin-HC1

0,10-

Ornithin

Cystein

II I I16 17 18 19 20 21 22

Abszisse: Laufstrecke der mobilen Phase.

Alanin

0,20-

23 cm

Fig. 2. Abhängigkeit der Rf-Werte von der Laufstrecke Start-Front der mobilen Phase in derKeilstreifenchromatographie.


Tab. 1. Abhängigkeit der Rf-Werte von der Laufstrecke Start-Front der mobilen Phase in derKeilstreifenchromatographie. Ergebnisse der Korrelationen

Amino-säure

Zahl derRf-Werte

Regressions-gerade

Korrelations-koeffizient

Signifikanz

95 % 99

Leu 12 Y = 92,0 - l,29 X 0,717 + +Leu 12 Y =109,l - 2,50 X 0,828 + +Try 12 Y = 90,7 - l,82 X 0,975 + +Phe 10 Y = 97,6 - 2,33 X 0,919 + +Met 12 Y = 72,8 - 1,12 X 0,780 + +Val 11 Y = 88,3 - 2,12 X 0,879 + +a-AnB 12 Y = 65,8 - l,88 X -Ala 12 Y = 64,1 -l,48 X -Ala 6 Y = 62,8 - 1,49 X 0,820 + -Thr 12 Y = 57,l - l,32 X 0,953 + +Glu 11 Y = 57,3 - 1,38 X 0,983 + +

Gly 10 Y = 50,4 - l,17 X 0,813 + +Gly 6 Y = 51,8 - l,23 X 0,787 - -Ser 12 Y = 51,6 - l,31 X 0,739 + +Asp 10 Y = 42,3 - 1,10 X 0,52 - -Asp 6 Y = 41,5 - 0,94 X 0,891 + -Asp 11 Y = 37,8 - 0,81 X 0,983 -F +His-HCl 6 Y = 53,7 - 1,74 X 0,976 + +Arg-HCl 7 Y = 41,7 - l,21 X 0,897 + +Orn 11 Y = 27,7 - 0,69 X 0,770 + +Cys-SH 12 Y = 18,2 - 0,34 X 0,390 - -

die Schlitze in den Zungen der Keilstreifen führte und acht Serien von je siebenChromatogrammen auf einem speziellen Gestell nebeneinander in die Chromato-graphiewanne hing. Die Zungen der Keilstreifen tauchten in die mobile Phase (Buta-nol-Eisessig-Wasser = 4 : 1 : 1), welche sich in Cuvetten auf dem Boden der Wannebefand. Die Laufzeit betrug bei 20° C durchschnittlich 18 Stunden. Anfänglich warendie Streuungen der Rf-Werte gross. Mehrere Versuche mit Modellaminosäuren er-gaben, dass die Streuungen sehr klein sind, wenn die Laufstrecke der mobilen Phaseberücksichtigt wird. Die Entfernung Start-Front der mobilen Phase variierte in einemVersuch bei gleichen Bedingungen bis zu 4 cm.

Sobald man die Rf-Werte in Abhängigkeit der Laufstrecke der mobilen PhaseStart-Front betrachtete, war es möglich, die meisten Aminosäuren zu identifizieren.Diese Verhältnisse sind in Fig. 2 und Tab. 1 dargestellt. Bei grösseren Konzentrationenwaren Threonin und Glutaminsäure wie auch Glycin und Serin nicht immer voneinan-der zu trennen. Auch liessen sich Glutamin und Asparagin nicht immer identifizieren,wenn sie zusammen vorkamen. Aminosäuren mit grossen Rf-Werten (Phenylalanin,Leucin, Tyrosin, Methionin, Valin) zeigten einen Randeffekt; die Zonen verbreitertensich gegen den Rand hin. Bei günstig gewählter Konzentration des aufgetragenenExtraktes erzielte man aber eine sehr gute Trennschärfe.

Das System der Keilstreifenchromatographie wurde beibehalten, weil es sich sehrgut eignete für quantitative Bestimmungen, die in grossen Serien erfolgten. Mit zwei-

LeuVala-AnBAla

Glu-NH2

Asp-NH2Arg -HCI

Lys

Jahrgang 109 J. SCHÜRMANN. Organische Stoffe im Wasser des Zürichsees

dimensionaler Papierchromatographie wäre es unmöglich gewesen, auf solcher Breitequantitative Bestimmungen durchzuführen. Als später im Institut die Apparaturen'für Dünnschichtchromatographie zur Verfügung standen, konnten diese für' denquantitativen Test nicht mehr herangezogen werden, weil die ersten Ergebnisse; derJahresuntersuchung bereits vorlagen. Hingegen ermöglichte eine zweidimensionale,qualitative Analyse aller Extrakte in der Dünnschichtchromatographie eine eindeu-tige Identifizierung. Die anfänglichen Schwierigkeiten bei der Identifizierung derAminosäuren erforderten spezielle methodische Versuche.

b) Dünnschichtchromatographie

Zur Dünnschichtchromatographie dienten Glasplatten von 20 cm Seitenlänge. Diestationäre Phase bestand in Silikagel «Merk», gemischt mit Wasser 50: 25, diemobilen Phasen in Butanol-Eisessig-Wasser = 3 : 1 : 1 und Phenol-Wasser = 3 : 1.Mit dieser Kombination erziehlt man gute Trenneffekte in zweidimensionaler Ana-lyse (BRENNER und NIEDERWIESER, 1960). Das Chromatogramm wurde in ein grossesTeilquadrat von 11,5 cm Seitenlänge, in zwei anliegende Rechtecke und ein kleinesQuadrat geteilt. Das grosse Teilquadrat diente zur zweidimensionalen Analyse; in denbeiden Rechtecken wurden Modellaminosäuren eindimensional mitchromatogra-phiert, welche die Identifizierung der Flecken im zweidimensionalen Feld erleichternsollten. Das kleine Quadrat enthielt die Beschriftung. Diese Anordnung war möglich,weil die Silikagelschicht an der Begrenzung der Teilflächen mit einem Bleistiftstrichunterbrochen und somit die mobile Phase auf eine Front von 10 cm Abstand von denStartpunkten begrenzt wurde. Der Einfluss eines so erzwungenen Stillstandes der mo-bilen Phasen erwies sich als sehr klein. Die Rf-Werte ändern sich nicht, wenn diePlatten sofort aus der Wanne genommen werden, sobald die mobile Phase die Fronterreicht hat (BRENNER und NIEDERWIESER, 1960). In einer Wanne standen gleichzeitig

421'

Fig. 3. Beispiele für zweidimensionale Dünnschichtchromatogramme.

Links: Modellaminosäuren.Rechts: Extrakt der Sackprobe vom 16. 8. 62, AH-Fraktion.


vier Platten, die mit Drahtreitern gegeneinander abgestützt waren. Um Kammerüber-sättigung zu erhalten, lag, nebst der Auskleidung der Wanne mit Filtrierpapier, jederPlattenrückseite ein Filtrierpapier an, welches ebenfalls mit der mobilen Phase be-feuchtet war. Die Dünnschicht trocknete im Ofen bei etwa 80° C. Gegen die Ränderder Platte wurde sie 2 mm breit abgestreift. Nach zweimaligem Besprühen der Chro-matogramme mit 0,2 % Ninhydrinlösung erfolgte das Entwickeln im Ofen bei 60° C.Das entwickelte Chrotnatogramm wurde auf Transparent-Millimeterpapier kopiert.Beispiele von zweidimensionalen Dünnschichtchromatogrammen sind in Fig. 3 dar-gestellt.

c) Nachweis von Leucin und Isoleucin

Für den Nachweis von Leucin und Isoleucin wurden mehrere Extrakte der ein-dimensionalen Analyse in der Dünnschichtchromatographie mit Methyläthylketon-Pyridin-Wasser-Eisessig = 70 : 15 : 15 : 2 unterzogen (STAHL, 1961). BRENNER undNIEDERWIESER (1961) empfehlen für diese Trennung die durchlaufende Dünnschicht-chromatographie. Das geschlossene System führte aber ebenfalls zu befriedigendenErgebnissen. In den ersten Versuchen wurden Leucin und Isoleucin aus Keilstreifen-chromatogrammen eluiert und nachher in der Dünnschicht chromatographiert. Diebeiden Isomere liessen sich aber auch beim direkten Auftragen von Extrakten trennenund identifizieren.

Rf-Werte von Leucin und Isoleucin

Versuch aVersuch bVersuch c

50,45,51,

48,44,50,

Leucin

46, 4944, 45,52, 53,

45,52

4745,40,46,

Isoleucin

44, 45, 4640, 41, 41,46, 46, 45,

4347

d) Nachweis von DL-Alanin, ß-Alanin, Cystin und Cystein

Der Nachweis dieser Aminosäuren gelang mit den folgenden mobilen Phasen inder zweidimensionalen Dünnschichtchromatographie: Chloroform-Methanol-17%Ammoniak = 2 : 2 : 1, Phenol-Wasser = 75 : 25 (FAHMY et al., 1961). Nach der Oxy-dation der Extrakte mit Perameisensäure (Hms, 1956) gelang der Nachweis von Cysteinals Cysteinsäure.

Mehrere Extrakte wurden dieser Trennung unterzogen, urn die Ergebnisse derzweidimensionalen Analysen zu ergänzen.

6. Quantitative Analyse

Anfänglich schien es, dass ein Teil der Extrakte direkt für einen Summentest zuverwenden wäre. Es kamen Mikro-Kjeldahlbestimmungen und kolorimetrische Mes-sung des Ninhydrinkomplexes in Frage. Es zeigte sich, dass sich die Summentestenicht geeignet hätten. Die Extrakte hatten eine gelbliche bis bräunliche Farbe, welchebei den verschiedenen Extrakten variierte; sie hätte den kolorimetrischen Test ver-fälscht. Die Schwankungen im Anteil der freien und der peptidisch gebundenenAminosäuren hätten die quantitative Auswertung der kolorimetrischen Reaktion


ebenfalls verunmöglicht, da nicht alle Aminosäuren und Peptide in der gleichen mo-laren Konzentration den gleichen Extinktionswert ergeben. Anderseits wären inKjeldahlbestimmungen neben den a-Aminogruppen der Aminosäuren noch anderestickstoffenthaltende Gruppen der unbekannten, zum Teil huminsäureähnlichenStoffe mitbestimmt worden.

Es schien daher am besten, die Keilstreifenchromatogramme für den quantitativenTest zu verwenden. Die gefärbten Substanzen der Extrakte blieben auf dem Auftrags-punkt liegen. Substanzen mit Absorption des UV bei ungefähr 260 mμ und solchemit Fluoreszenz im UV wanderten zwar auch, störten jedoch den Ninhydrintest unddie kolorimetrische Messung nicht, da ihre Absorption ausserhalb des Messbereichesvon 504 mµ lag.

Die Keilstreifenchromatogramme wurden mit einer 0,5 % Ninhydrinlösung inÄthanol entwickelt. Zu 100 ml der Lösung kamen noch 15 ml Essigsäure*. DiesesSprühreagens lässt das Papier ungefärbt. Auf beiden Seiten besprühte Chromatogrammekamen zum Entwickeln unter den heissen Föhn. Anfänglich war zu befürchten, dassdie Ninhydrinbestimmung durch die Essigsäure gestört würde. Eine Serie von vierParallelversuchen, in der die einen Chromatogramme mit einer neutralen und dieandern mit der essigsauren Ninhydrinlösung behandelt wurden, zeigte, dass die Be-fürchtungen unbegründet waren. Ein von beiden Seiten aufgesprühtes Kupferreagensführte die Ninhydrinflecken der Aminosäuren auf den Chromatogrammen in denmethanollöslichen Kupferkomplex über (BODE et al., 1952). Zusammensetzung desSprühregens: 1 ml gesättigte Kupfernitratlösung+0,2 ml 10 %-Salpetersäure aufge-füllt zu 100 ml mit 95 %-Äthanol. Die Zonen mit dem Kupferkomplex wurden aus-geschnitten und in 4 ml Methanol über Nacht eluiert. Die Messung von Threoninund Glutaminsäure sowie von Glycin und Serin erfolgte meist zusammen. Bei Chro-matogrammen mit BH-Extrakten mussten oft die Zonen unterhalb Alanin oderThreonin zusammengefasst werden, weil die Trennung nicht klar in einzelne Zonengeschieden war.

Das methanolische Eluat wurde bei 504 mkt auf dem Beckmann-Spektrophoto-meter gegen den Blindwert der Papiere gemessen. Der Blindwert des Papiers variiertenicht unter den Chromatogrammen, hingegen musste der Blindwert gleichviel Papierenthalten wie die ausgeschnittene Zone. Es erübrigte sich daher, für jedes Chromato-gramm entsprechende Blindwerte mitzuführen, während diese für die verschiedeneneluierten Zonengrössen von Bedeutung waren. Die molare Konzentration liess sichmit Hilfe von Testgeraden auf Grund der Extinktionswerte berechnen. Die Extink-tionen von Leucin in Abhängigkeit von der Konzentration waren anfänglich in meh-reren Versuchen bestimmt worden (Fig. 4 und Tab. 2). In den ersten Versuchen deck-ten sich die Geraden noch schlecht, in späteren Versuchen waren die Streuungenkleiner. Nach Angabe von BODE et al. (1952) sollen sich mit dieser Methode die Test-geraden mehrerer Aminosäuren decken, wenn sie in molarer Relation dargestellt sind,so Leucin, Alanin, Glycin, Phenylälanin, Glutaminsäure, V Vein und-Serin.–Aus Fig. 4geht hervor, dass unter den hier angewandten Versuchsbedingungen sich Glycin und

* Zusammensetzung der Ninhydrinlösung nach mündlicher Mitteilung von Frau E. SURRECx-WEGMANN, Chemisches Institut der Universität Züric.

Abszisse: Konzentration von Leucinin 10-9 Mol

0,030 —

0,025 -

0,020 —

0,015 -

0,010 —

0,005 -

Ordinate;Extinktion

DL-A 1anin

Ordinate:Extinktion

0,030

0,020

0,010

Glutamin

5


5 10 15 20 25 30

Fig. 4. Testgeraden von Aminosäuren. Extinktionskoefflzienten in Abhängigkeitvon der Konzentration.

Serin nicht mit den andern Geraden decken lassen. Nicht alle gemessenen Amino-säuren sind in Testgeraden dargestellt. Die Aminosäuren, für welche ein Vergleichmit der Testgeraden derselben Modellaminosäure nicht möglich war, erschienen inRelation zu der Leucingeraden. Das viermalige Chromatographieren aller Extrakteergab einen Durchschnittswert, wobei meist zwei Zonen von zwei Chromätogrammenzusammen eluiert und gemessen wurden. Mit zunehmender experimenteller Erfahrungverkleinerten sich die Streuungen. Es war nicht möglich, alle Extrakte mit der gleichen

425Jahrgang 109 J. SCHÜRMANN. Organische Stoffe im Wasser des Zürichsees

Tab. 2. Korrelationskoefflzlenten und Signifikanzen der Testgeraden von Aminosäuren

Amino-säure

Anzahl derMesswerte

Korrelations-koeffizlent

Signifikanz

95 % 99

DL-Leu 5 0,978 + +

DL-Leu* 4 0,998 + +DL-Leu 15 0,913 + +

DL-Leu* 12 0,844 + -FDL-Leu 15 0,882 -F +DL-Leu 30 0,770 + +DL-Leu 35 0,877 + +DL-Leu 20 0,890 + +

DL-Ala 7 0,961 + +a-AnB 8 0,824 —Gly 4 0,880 — —Gly 12 0,968 + +

GIu-NH2 4 0,987Lys 4 0,899 — —Met 10 0,980 + +

Orn 10 0,974 + +

Ser 8 0,902 + +Thr 12 0,902 + +Thr 4 0,996 + +Val 4 0,989

* Gleiche Messwerte wie im vorangehenden Versuch, aber ohne Werte mit einer Konzentrationvon 4.10- 6 g.

Konzentration gegenüber dem Seewasser herzustellen und auf allen Chromatogram-men gleiche Mengen aufzutragen. Daher wurden die Extinktionswerte der quantita-tiven Bestimmungen auf einen Vergleichswert mit bestimmter Konzentration und be-stimmter aufgetragener Menge umgerechnet.

B. ERGEBNISSE UND INTERPRETATIONEN

1. Gesamtaminosäuren

a) Erklärungen zu den graphischen Darstellungen, Fig. 5-8

Für die Bezeichnung der Fraktionen sei nochmals auf das Schema von Seite 418hingewiesen.

In den graphischen Darstdllungen umfassen die freien Aminosauren die Felder mitdunklem Raster; die peptidisch gebundenen Aminosäuren der AH-Fraktion sind mithellem Raster dargestellt. Die gesamten Aminosäuren der AH-Fraktion schliessenbeide Bezirke mit Raster ein. Die Aminosäuren der BH-Fraktion — ohne Raster ge-zeichnet — wurden über die AH-Fraktion addiert. Die obere Grenze ergibt den ge-

— AH-•BI1

— All

— BH

— All—A

— 71


samten Gehalt der gemessenen Aminosäuren einer Probe. Die Summe der Einzelwerteaus den Tab. 5-7 ergibt die Werte der Gesamtaminosäuren.

Bei den Eindampfproben von Stäfa konnte die BH-Fraktion im Februar nichtquantitativ gemessen werden. Bei den Proben von Thalwil fehlen die Messungen imJuni. Die fehlenden Werte wurden durch unterbrochene Geraden, welche die angren-zenden Werte verbinden, ersetzt.

b) Eindampfproben vom Ufer bei Stäfa, Fig. 5

Die maximale • Konzentration der Gesamtaminosäuren aller Fraktionen beträgtmehr als 6 . 10_6 Mol pro Liter, die minimale ungefähr 1/6 davon. Der Durchschnitt

N D J F M A M J .7 A S 0 Monate

Ordinate: Konzentration in 10-6 Mol/Liter

Fig. 5. Gesamtaminosäuren, Eindampfproben von Stäfa.


liegt bei 2,5 . 10-6 Mol pro Liter. Im Jahresverlauf zeichnen sich zwei ausgeprägteSpitzen im April-Mai und im Oktober ab. Im Januar und im August finden wir diekleinsten Mengen. Das Minimum im ersten Teil des Juni ist auf einen ungünstigenEntnahmetag zurückzuführen. Vor der Entnahme herrschte stürmisches Westwind-wetter, so dass das Uferwasser mit Wasser aus anderen Seebezirken durchmischt war.Die zweite Probe dieses Monats, entnommen bei ruhigem Wetter, ist wieder charak-teristisch für die Uferzone. Die Maxima der freien und der peptidisch gebundenenAminosäuren der AH-Fraktion stimmen mit den Maximalwerten der Gesamtamino-säuren überein. Die hohen Werte in der Uferzone können durch grossen Anfall vonabzubauenden Eiweissen entstehen, welche mit gelösten Nährstoffen durch thermischbedingte Horizontalströmungen aus tieferen, ufernahen Schichten hertransportiertwurden (THOMAS, 1961 a und 1962). Solche Verhältnisse treten nach THOMAS vomFrühsommer bis in den Herbst durch stärkere Erwärmung, respektive Abkühlung desUferwassers auf. Meines Erachtens könnte im Frühsommer das Maximum auch vomAbbau der Algen der Frühjahresvegetation herrühren. Das Maximum im Herbst kannseine Ursachen im vermehrten Abbau von festsitzenden Algen und von Plankton ha-ben; ausserdem könnte eine Zufuhr von organischem Material durch die herbstlicheTeilzirkulation oder die beginnende Vollzirkulation möglich sein.

c) Sackproben, Fig. 6

Im November, Februar, Mai, Juni, Juli und Oktober finden wir hohe Werte derGesamtaminosäuren, ebenso bei den freien Aminosäuren der A-Fraktion, ausgenom-men im Juni, wo auf den grössten Wert der gesamten peptidisch gebundenen Amino-säuren der AH-Fraktion (siehe Fig. 8) ein kleinerer Wert der freien Aminosäuren ent-fällt. Im Oktober und November erreichen die Werte der freien Aminosäuren diehöchsten Konzentrationen, während im Dezember, Januar und März die kleinstenWerte vorkommen.

d) Vergleich der Eindampfproben vom Ufer von Stäfa mit den Sack-proben der gleichen Stelle, Fig. 5 und 6

Der Gehalt an Aminosäuren aus den Eluaten des Ionenaustauschers der Sack-proben ergibt nur relative Werte. Wir können daher die Sackproben nur bezüglich desGehaltes an Gesamtaminosäuren im Jahresverlauf sowie der prozentualen Zusam-mensetzung des Gehaltes der einzelnen Fraktionen mit den Eindampfproben ver-gleichen. Die BH-Fraktionen fallen bei dieser Gegenüberstellung ausser Betracht, dasie in den Sackproben nicht vorhanden sind.

Die Ergebnisse der beiden Untersuchungsmethoden weichen teilweise bedeutendvoneinander ab, obschon einige Übereinstimmungen festzustellen sind, wie hohe Ge-samtwerte der AH-Fraktion im Mai, Juni und-Oktöher, gegenüber niedrigen Wertenim Dezember, Januar und März.

Die Werte der höchsten Gesamtkonzentration liegen in den beiden Methoden zweiMonate auseinander. Bei den Eindampfproben finden wir den Maximalwert im April,während bei den Sackproben im gleichen Monat noch keine wesentlich erhöhten

A - Fraktion

•AH- Fraktion


Konzentration

0,8

0,7

0,6

0 ,1

0,4

0,3

0 ,2

O ,1

N D J F N A M J J A S 0 Monate

Ordinate: Konzentration in 10- 6 Mol/100 ml Ionenaustauscher

Fig. 6. Gesamtaminosäuren der Sackproben.

Werte vorkommen. Minimale Werte stellen wir bei den Eindampfproben vom No-vember bis zum März fest; bei den Sackproben erreichen die Gesamtwerte der A- undder AH-Fraktion im November und Februar stark erhöhte Werte._. Die Differenzen in den Ergebnissen der beiden Methoden haben ihre Ursache inden verschiedenen Versuchsbedingungen: Der Chemismus des Uferwassers kann sichwährend vier Tagen (Expositionszeit der Sackproben) unter Umständen stark verän-dern. Auch der Algenbewuchs und das Plankton können in diesem Zeitraum Verände-rungen unterliegen, welche sich im Chemismus des Wassers auswirken. In den Som-.mermonaten können ausserdem thermisch bedingte Strömungen den Chemismus desUferwassers beeinflussen. Da die Eindampfproben immer am frühen Morgen ent-nommen wurden (im gleichen Zeitpunkt, in welchem die Säcke mit den Ionenaustau-schern in den See gehängt wurden), fallen Veränderungen als Folge von thermischbedingten Lokalströmungen für sie ausser Betracht, da solche Strömungen vor derWärmeeinstrahlung der Sonne noch nicht wirksam sind.

Auf den Säcken wurde nach jeder Expositionsdauer ein mehr oder weniger starker

AH-Fraktion n OH - Fraktion

AH+—OH

_ AHlBH

—All

--BH

_AH-A

429Jahrgang 109 J. SCHÜRMANN. Organische Stoffe lm Wasser des Zürichsees

Ordinate: Konzentration in 10-8 Mol/LiterAbszisse: Monate

Fig. 7. Gesamtaminosäuren der Proben von Thalwll.

Aufwuchs von Kiesel-, Blau- und Grünalgen festgestellt. Möglicherweise beeinflusstendie angesiedelten Organismen die Zusammensetzung des durchtretenden Wassers. DerAufwuchs bestand neben den Algen teilweise aus Bakterien, die den Stoff des Sackesnach etwa zwanzigtägiger Exposition dünn und brüchig machten.

Um Schwankungen in einem kleinen Zeitraum zu erfassen, wäre es eher angezeigt,mehrere Eindampfproben in kleinen Zeitabständenzü entnehmenDas war aberhiernicht möglich, weil die Mehrarbeit nicht hätte bewältigt werden können. Aus demGesagten darf man schliessen, dass die Methode der Eindampfproben zuverlässigereErgebnisse gibt und dass ein Arbeiten mit Sackproben künftig speziellen Untersu-chungen vorbehalten bleiben kann.

0,5

10- 6 Mo1/ 13,0

2,

1,0

10-6Mo /1

M A M J J A S M B i^ J

Ordinaten: KonzentrationenAbszissen: MonateGestrichelte Geraden = Durchschnitte der Serien

1,0

0,5


Fig. 8. Gesamtwerte der peptidisch gebundenen Aminosäuren der AH-Fraktionen.

e) Vergleich zwischen Oberflächen- und Tiefenwasser bei Thalwil,Fig. 7, 8 und 9

Die freien Aminosäuren der Oberflächenproben haben den höchsten Wert imJuli; derjenige der Tiefenproben fällt auf den Mai. In den niedrigen Werten stimmen Oberflächen- und Tiefenwasser überein; der Minimalwert liegt im August, einen nie-drigen Wert finden wir im April.

Die AH-Fraktionen der beiden Probenserien stimmen in den Extremwertennicht überein; der Wert mit der höchsten Konzentration liegt zum Beispiel bei denOberflächenproben im Juli, bei den Tiefenproben im April.

130 mTiefe

-r


10-6 Mo /1 Eindampfproben vom Ufer bei Stäfa

l,5

l,0

0,5 -

N' D' J P ^ M' A ^ M' J' J ' A I S ' 0

10 -6 Mo1/1 Proben von Thalwil

I 0,3 mI Oberfläche

1,5 - I l, s-

I

1,0 -i 1,0-

0,5-

A' M' J' J' A' S N A 1 M 1 J 1 J A S

0,5 -

Ordinaten: KonzentrationAbszissen: MonateGestrichelte Geraden = Durchschnitte der Serie

Fig. 9. Gesamtwerte der Aminosäuren der BH-Fraktionen.

Bei den peptidisch gebundenen Aminosäuren der AH-Fraktion findenwir den Höchstwert in beiden Probenserien im April; er beträgt bei den Tiefenprobenmehr als das Doppelte desjenigen der Oberflächenproben (siehe Fig. 8).

Die Werte der BH- Fraktion, über die Periode Mai=Septetriber betrachtet, er-geben ein ähnliches Bild: Minimalwerte im März und niedrige Werte folgend auf denHöchstwert, der im Oberflächenwasser im Juli und im Tiefenwasser im August liegt(Fig. 9).

Die Gesamtwerte sind bei beiden Serien verschieden. Im Oberflächenwasser


fällt ein ausgeprägtes Maximum im Juli auf, während im Tiefenwasser vorn April biszum August grosse Konzentrationen mit zwei kleinen Extremwerten im April undAugust zu finden sind.

f) Vergleich der Oberflächenproben der Seemitte von Thalwil mit denUferproben von Stäfa, Fig. 5 und 7

Die Ergebnisse dieser zwei Probenserien weichen stark voneinander ab. Der Gehaltder einzelnen Fraktionen sowie der Gesamtgehalt aller Fraktionen sind durchschnitt-lich grösser bei den Uferproben als bei den Oberflächenproben der Seemitte (sieheTab. 4). Bei den Uferproben beträgt der Gesamtgehalt das Doppelte derjenigen vonder Seemitte von Thalwil. Das Maximum der freien Aminosäuren liegt bei den Ober-flächenproben der Seemitte im Juli, bei den Uferproben im April. Der Höchstwertder peptidisch gebundenen Aminosäuren der AH-Fraktion liegt bei beiden Proben-serien im April (siehe Fig. 8). Die Extremwerte der BH-Fraktionen fallen nicht auf diegleichen Monate (siehe Fig. 9).

g) Vergleich der Uferproben von Stäfa mit den Oberflächenprobendes Pelagials ausserhalb Stäfa

Im September und Oktober wurden zwei Vergleichsproben 250 ni ausserhalb desVersuchsfeldes entnommen. Von diesen Proben kamen nur die A- und die AH-Frak-tionen zur Analyse. Die Gesamtwerte sind bei den Uferproben (Fig. 5) bedeutendhöher, ebenso der Gehalt der peptidischen Aminosäuren der AH-Fraktionen, der beiden Proben des Pelagials sehr klein ist. Der minimale Gehalt an Peptiden im Ober-flächenwasser des Pelagials kann durch rasches Absinken der toten, im Abbau be-griffenen Organismen ins Tiefenwasser bedingt sein. Auch ist in der Uferzone dieMasse der abzubauenden Eiweisse beim Absterben der Algenmassen grösser und dem-nach die Konzentration der peptidisch gebundenen Aminosäuren höher als im Pe-lagial.

Tab. 3. Vergleich der Uferproben von Stäfa mit den Oberflächenproben des Pelagials ausserhalbStäfa. Konzentrationen der Gesamtwerte der Aminosäuren in 10- 9 Mol pro Liter

Monat Fraktion Ufer Pelagial

September A-Fraktion 507 560AH-Fraktionpeptidisch gebundene

637 584

24Aminosauren (AH-A) 130

Oktober A-Fraktion 814 154AH-Fraktionpeptidisch gebundene

1961 166

Aminosäuren (AH-A) 1147 12


h) Durchschnitte der absoluten Mengen der Aminosäuren in denverschiedenen Fraktionen, Tab. 4

Der mittlere Gehalt der freien Aminosäuren, über die Periode März—Septem-ber betrachtet, ist in den Uferproben etwas grösser als in den Oberflächenproben vonThalwil, ebenso derjenige der Tiefenproben von Thalwil gegenüber den Oberflächen-proben der gleichen Stelle.

Die peptidisch gebundenen Aminosäuren der AH-Fraktionen (AH-A)betragen bei den Uferproben von Stäfa in der Periode März—September mehr als dasDreifache der Oberflächenproben von Thalwil und etwa das Doppelte des Tiefen-wassers von Thalwil. Diese grosse Differenz kann folgende Ursachen haben: ImTiefenwasser, in der tropholytischen Zone haben die absinkenden organischen Stoffebereits einen wesentlichen Abbau erlitten, teilweise schon eine fast vollständige Mine-ralisierung, bis sie in die Tiefenzone gelangt sind, in der die Proben entnommen wur-den. Auch könnten im Tiefenwasser mehr Mikroorganismen, welche die Abbauvor-gänge der Peptide zu Aminsäuren beschleunigen, vorhanden sein.

In der Uferzone ist die Produktion grösser als in anderen Zonen des Sees (Massen-entwicklung von Uferalgen, hohe Temperaturen während der Hauptvegetationspe-riode), so dass auch mehr abzubauendes Material vorhanden ist.

Auch bei den Aminosäuren der BH-Fraktion sind die durchschnittlichenWerte bei den Uferproben von Stäfa am höchsten. In den Proben von Thalwil über-steigen die Werte des Tiefenwassers diejenigen des Oberflächenwassers. Bei den Ufer-proben von Stäfa sind die Durchschnitte der BH-Fraktion über das ganze Jahr undüber die Monate März—September fast gleich hoch, während bei den andern Frak-tionen in der Periode März—September grössere Werte zu finden sind.

Tab. 4. Durchschnitte der Gesamtaminosäuren der einzelnen Fraktionen der Proben von Stäfaund Thalwil

Konzentrationen in 10-6 Mol pro Liter

FraktionStäfa

EindampfprobenThalwil

Eindampfproben

X Y 0,3 m 130 m

A 424 502 470 546AH 1252 1671 826 1147AH-A 828 1169 356 601BH 1181* 1121 728 887

Total 2512* 2792 1554 2034

X Durchschnitt über das ganze Jahr.Y Durchschnitt über die gleichen Monate wie bei den Proben von Thalwil.

Ohne die Werte vom Febrbar.

433

434 Vierteljahrsschrift der Naturforschenden Gesellschaft in Ztirich 1964

i) Der prozentuale Anteil der einzelnen Aminosäure-Fraktionen,Fig. 10

Der prozentuale Anteil der Fraktionen variiert bei allen Serien von Monat zuMonat.

Bei den Uferproben von Stäfa treten die freien Aminosäuren gegenüber denpeptidisch gebundenen Aminosäuren der AH-Fraktion in den Sommermonaten mitAusnahme des August zurück. Die Aminosäuren der BH-Fraktionen nehmen dengrössten Teil in Anspruch in den Wintermonaten November bis März; im Novemberbeträgt ihr Anteil 90%. Der relative Gehalt der freien Aminosäuren schwankt zwi-schen 10% und 40% und erreicht in den Monaten Januar, April und August maxi-

A - Fraktion AII - Fraktion n BH - Fraktion

Fig. 10. Prozentualer Anteil der einzelnen Fraktionen.


male Werte. Die peptidisch gebundenen Aminosäuren der AH-Fraktion nehmen imApril und Mai einen grossen relativen Anteil in Anspruch.

Der prozentuale Anteil der einzelnen Fraktionen der Tiefenproben der See-mitte bei Thalwil ist im Jahresverlauf demjenigen der Oberflächenprobenan der gleichen Stelle sehr ähnlich. Die BH-Fraktion beansprucht in den Sommer-monaten den grösseren Anteil als in den Frühlingsmonaten März und April; einähnlicher Unterschied zwischen Winter- und Sommerproben gilt auch für die Ufer-proben von Stäfa. Der Anteil der A-Fraktion (freie Aminosäuren) ist im Oberflächen-und Tiefenwasser im März am grössten und nimmt gegen den August ständig ab; esfallen Minima auf den April und den August, die bei den Tiefenproben ausgeprägtersind als bei den Oberflächenproben. Der relative Anteil der peptidisch gebundenenAminosäuren der AH-Fraktion ist im April am grössten, im Juli am kleinsten.

k) Der durchschnittliche prozentuale Anteil der einzelnenAminosäure-Fraktionen, Tab. 5

Die Aminosäuren der BH-Fraktion dominieren bei allen Serien. Die Durchschnitteliegen zwischen 40% und 47 %. Bei den Eindampfproben von Stäfa ist der mittlereAnteil in der Periode März—September kleiner als bei denjenigen von Thalwil. DieOberflächen- und Tiefenproben von Thalwil unterscheiden sich im relativen mittlerenAnteil der einzelnen Fraktionen nur unbedeutend. Der durchschnittliche Anteil derfreien Aminosäuren ist in den Proben von Thalwil im Oberflächen- und Tiefenwasserum 8-12 % höher als in den Eindampfproben von Stäfa. Der mittlere Anteil derpeptidisch gebundenen Aminosäuren der AH-Fraktion ist in der Periode März bisSeptember bei den Uferproben von Stäfa höher als bei den Proben von Thalwil.

Tab. 5. Durchschnittlicher prozentualer Anteil der Aminosäure-Fraktionen

(AH-Fraktion + BH-Fraktion = 100 %)

FraktionStäfa

EindampfprobenThalwil

Eindampfproben

X Y 0,3 m 130 m

A 18,4 18,0 30,2 26,8AH 54,4 59,9 53,2 56,4AH-A 36,0 41,9 23,0 29,6BH 45,6 40,1 46,8 43,6

X Durchschnitt über das ganze Jahr.Y Durchschnitt über die gleichen Monate wie bei den Proben von Thalwil.

l) Verhältnis der freien Aminosäuren der A-Fraktion zu denpeptidisch gebundenen Aminosäuren der AH-Fraktion, Fig. 11

Dieses Verhältnis ist starken Schwankungen unterworfen, die bei den verschiedenen-Probenserien im Jahresverlauf nicht übereinstimmen. Zum Beispiel steht im Januardem grossen relativen Anteil der freien Aminosäuren bei den Eindampfproben


A,(A -A)

wasserOberflachen-

Proben von Thalwil

i`°--

5 Tiefenwasser

4 -

3 -

2 - ®®sl

+-

1 -

'

—

M 'A M ' J 'J A' S M' A I M I J I J ASOrdinaten: Verhältnis A : (AH-A)Abszissen: MonateGestrichelte Geraden = Durchschnitte der Serien

Fig. 11. Verhältnis der freien zu den peptidisch gebundenen Aminosäuren der AH-Fraktion.

von Stäfa (siehe Fig. 10) ein minimales Verhältnis bei den Sackproben gegenüber,welches durch einen grossen Anteil von peptidisch gebundenen Aminosäuren bedingtist (siehe Fig. 6). Die Eindampfproben von Stäfa und die Sackproben weisen überein-stimmend vorn Mai bis zum Juli ein kleines Verhältnis der freien zu den peptidischgebundenen Aminosäuren der AH-Fraktion auf, welches auf grosse absolute Mengender peptidisch gebundenen Aminosäuren zurückzuführen ist (siehe Fig. 8).

Das durchschnittliche Verhältnis ist bei den Proben von Thalwil grösser als beidenjenigen von Stäfa, was einerseits durch grössere mittlere Konzentrationen der

Monate


freien Aminosäuren bei den Proben von Thalwil als bei den Uferproben von Stäfaund anderseits durch grosse Mengen von peptidisch gebundenen Aminosäuren in derAH-Fraktion der Uferproben von Stäfa bedingt ist (siehe Tab. 4). Das durchschnitt-liche Verhältnis zwischen Oberflächen- und Tiefenwasser von Thalwil ist annäherndgleich.

2. Qualitative Ergebnisse, Tab. 6, 7 und 8

Unter den 18 qualitativ nachgewiesenen Aminosäuren sind die einfachen aliphati-schen Aminosäuren am häufigsten vertreten. Die Monoamino-Dicarbönsäuren kom-men häufiger vor als die entsprechenden Diamino-Monocarbonsäuren. Die zyklischenAminosäuren treten gegenüber den aliphatischen zurück. Aus der Grüppe der schwe-felhaltigen Aminosäuren ist neben Methionin nur selten Cystein und Cystin — nachOxydation mit Perameisensäure als Cysteinsäure nachgewiesen — zu finden.

Vorherrschende Aminosäuren sind: Leucin, Isoleucin, Valin, Alanin, Glycin,Threonin, Serin und Ornithin; häufig vorkommende Aminosäuren: a-Aminobutter-säure, Glutaminsäure, Asparaginsäure, Lysin und Arginin. Phenylalanin und Methio-nin wurden selten gefunden. Cystein liess sich nur in einigen Proben nachweisen. InHydrolysaten konnte einige Male Cysteinsäure in kleinen, quantitativ nicht erfassbarenMengen nachgewiesen werden. Prolin trat nur vereinzelt auf. β-Alanin wurde nie ge-funden. Histidin war nur in einer Eindampfprobe von Stäfa im September enthalten.Sarkosin konnte nie mit Bestimmtheit identifiziert werden, ebenso Citrullin und Tyro-sin. Tryptophan war nie in nichthydrolysierten Extrakten enthalten.

Folgende ninhydrinpositive Substanzen konnten nicht als bekannte Aminosäurenidentifiziert werden:

Probe Rf-Werte in der DünnschichtBuOH-AcOH-H 20 Phenol-H20

Thalwil, Oberfläche

März, A-Fraktion 30 66März, AH-Fraktion 28 53

Stäfa, Sackprobe

Mai, A-Fraktion 30 131Mai, AH-Fraktion 22 552Aug., A-Fraktion 30 10 3

1 Neben Asparaginsäure und Glutaminsäure vorkommend.2 Dieser Fleck hatte fast gleiche Rf-Werte wie Prolin; da aber die Farbe des Ninhydrinkomplexes

nicht gelb war, konnte es sich hier nicht um Prolin handeln.3 Bei dieser Substanz handelte es sich wahrscheinlich um ein Peptid, da der Fleck mit gleichen Rf-

Werten im Hydrolysat nicht festgestellt werden konnte.

3. Quantitative Ergebnisse, Tab. 6, 7, 8 und 9

Die einfachen aliphatischen Aminosäuren und die Aminohydroxycarbonsäurenbilden die Hauptmenge aller Extrakte. Quantitativ fallen die zyklischen und dieschwefelhaltigen Aminosäuren nicht ins Gewicht. Bei den Monoamino-Dicarbon-säuren weist die Glutaminsäure bedeutendere Werte auf als Asparaginsäure, vorwie-

6a. Konzentration der einzelnen Aminosäuren in den Fraktionen der Eindampfproben von Stäfa in 10-9 Mol pro Liter

Probe

Fraktion A

16.11.61

AH BH A

18.12.61

AH BH A

17.1.62

AH BH

20.2.62

A AH BH A

15.3.62

AH BH A

25.4.62

AH BH

AminosäurePhe + + + +Leu,Ileu 3 43 58 + + 102 + + + + + + + 34 42 229 61Val 3 43 58 + + + + + + + + 13 70 130 50Meta-AnB 5 5Ala 20 28 78 12 30 64 26 46 76 16 48 32 40 98 126 850 150ThrGlu

l} 64

11184 216 102 170 282 10 50 64 30 70 48 86 196 630 1076 588

(HySer

1 3J 10 1025 40 116 555 210 248 515 76 198 16 212 1020 564 2400 538Asp + + + + + + 24 29 +Glu-NH2Asp-NH2 + + + 2 + +ArgLys 4 394 33 35

+ ++ +

1} 152

202 11} 62Orn + 4 18 39 252 34 29 31 24 34 22 29 186 40Cys-SH + 3 + + CySO3HTotal 93 219 1829 172 355 1255 313 408 686 153 379 118 396 1547 1472 4887 1601TotalAH +BH 2048 1610 1094 1943 6488

Für die Werte von Val, Glu, Asp, Glu-NH 2 , Arg, Lys und Cys-SH wurden die Konzentrationen auf Grund der Leu-Testgeradenberechnet.+ Auf dem Chromatogramm schwache Färbung des Ninhydrinkomplexes, die im quantitativen Test keinen messbaren Wert ergab.* Alle Aminosäuren mit Rf-Wert kleiner als Thr in einem Wert zusammengefasst.

Tab.

Tab. 6b. Siehe Erklärung zu Tab. 6a

Probe

Fraktion A

16. 5. 62

AH BH A

13. 6. 62

AH BH A

10. 7.

AH

62

BH A

15. 8.

AH

62

BH A

20.9.

AH

62

BH A

11. 10.

AH

62

BH

AminosäurePhe + + + + +Leu,Ileu 13 115 32 14 38 21 14 21 1 5 24 70 29 53 7 61 236 64Met +Val 5 115 26 14 26 14 7 10 144 2 20 18 29 48 4 46 95 59a-AnB 96 + +Ala 65 380 126 36 104 44 34 150 210 40 42 250 74 70 106 142 232 434ThrG u } 45 218 1 193 3076 16 21 126 16

l} 78 90 2 30 28 42 198 480

Gly 420 1200 l 640*111

86 490 124 92 450 573 334 J 326 573 242 252 544* 118 408 } 332*}Ser

11206 J 358 537

Asp + 24 + +Glu-NH2 + + +Asp-1\114 1 39 565 360

51 + 1

Lys 1J + 21 236 + .1 47 112Om 11 165 1 l 48 43 112 131 160 27 98Cys-SH CySO3H 37J 141 His His

Total 598 3580 824 170 763 579 205 898 1493 445 538 1113 507 637 689 841 1961 1369TotalAH +BH 4404 1342 2391 1651 1326 3330


Tab. 7a. Menge der eluierten Aminosäuren aus dem Ionenaustauscher der Sackproben in 10-9 Molpro 100 ml Austauscher

Erklärungen siehe Tab. 6a

Probe

Fraktion

16.11.61

A AH

18.12.61

A AH

17.l.62

A AH

20.2.62

A AH

15.3.62

A AH

25.4.62

A AH

Aminosäure

Phe + 2 18 + + +Leu, Ileu 21 42 + 1 + 21 1 16 1 2 + 1Met + + +Val 35 45 + + 2 22 1 2 8 7a-AnB 36 15 6Ala 39 49 5 11 3 16 18 25 4 17 9 12ThrGlu 1 32 76

18 21

} 12} 36 23 54 2 } 29 13 19

Sh }121 201 9 12 4 } 90111

208 180 + 111

18 128Asp

+

Glu-NH5 7 9 10Asp-NHs } 96 92

Lys } 14

1

15 I_11 + 2 } 4 1

Orn 2 2 2 13 2 2 10 6Cys-SH 18

}20

CySO3H 5}

2

Total 412 557 34 47 26 183 254 319 26 77 49 200

gend in hydrolysierten Extrakten. Die entsprechenden Diamino-Monocarbonsäurenwerden nicht so häufig und in kleineren Konzentrationen gefunden.

Den Hauptanteil haben Glycin, Serin, Alanin, Threonin und Glutaminsäure (sieheTab. 9). Leucin und Valin kommen unter allen Probenserien nur einige Male in quan-titativ nicht messbaren Mengen vor. Ihr Anteil ist nie bedeutend (siehe Tab. 9).Methionin und Phenylalanin konnten nur in geringen Mengen festgestellt werden.Asparagin und Glutamin haben in verschiedenen Proben bemerkenswerte Konzen-trationen; meist finden wir sie nur in geringen Mengen. Ornithin und Lysin habenmeist merkliche Konzentrationen in allen Fraktionen; nur selten ist ihr Betrag unbe-deutend.

Aminosäurengehalt in den einzelnen Fraktionen

Im folgenden werden nur die auffallendsten Merkmale, welche aus den Tabellen6 a-8 b ersichtlich sind, erwähnt.

Eindampfproben von Stäfa, Tab. 6a und 6b

Leucin und Valin sind in den Wintermonaten spärlich vorhanden. Im Mai findenwir in der AH-Fraktion eine bedeutende Menge von a-Aminobuttersäure, desgleichen


Tab. 7b. Erklärung siehe Tab. 6a

Probe

Fraktion

16. 5. 62

A AH

13. 6. 62

A AH

10. 7. 62

A AH

15. 8. 62

A AH

20. 9. 62

A AH

11.

A

10. 62

AH

Aminosäure

Phe -F -F + + + -F + +Leu, Ileu 6 32 4 22 22 24 1 4 6 8 18 54Met +Val 10 51 5 50 22 40 1 5 4 8 15 23a-AnB 54 100 + 8 +Ala 23 29 8 132 62 61 1 27 13 18 22 45Thr 20 81 10 l + 66 2 40 + 15 53 1Glu 21 8 1196 + 10 105

Gly 57 11466

l 51 161 154Ser 76 161 } 66

200J

69 223 }126111

62 24 130 254Asp + 79 + +Glu-NH 2 + + -F +Asp-NH2 + + 6 13ArgLy

+ 22

19 31

54

} 9 41 96

115

+ } 16 32} 12 10 } 30} 100

OrnCys-SH CySO3H CySO3H

111CySO3H

11

Pro + + +Peptid? 8

Total 211 675 110 795 271 529 95 240 97 146 439 748

einen grossen Wert von Asparagin. Im Juli wurde in der BH-Fraktion der grössteWert von Valin gemessen.

Sackproben, Tab. 7a und 7b

Auch hier haben Leucin und Valin in den Wintermonaten kleinere Werte als in derSommerperiode; allerdings ist diese Erscheinung nicht so ausgeprägt wie in den Ein-dampfproben von Stäfa. Im Mai und im Juni finden wir die höchsten Konzentrationenvon a-Aminobuttersäure. Im November sind die Werte für Asparagin und Glutaminin der A-Fraktion auffallend gross. Der entsprechende Werte im hydrolysierten Ex-trakt ist kleiner. Vermutlich ist diese Differenz auf ein Peptid zurückzuführen, welchesden gleichen Rf-Wert hatte wie eine der zwei genannten Aminosäuren.

Eindampfproben von Thalwil, Tab. 8a und 8b

Im August und im Juli wurden im Oberflächen- und im Tiefenwasser kleine Kon-zentrationen von Leucin und Valin festgestellt. Im Oberflächenwasser der Probe vomMärz und im Tiefenwasser des Mai fallen hohe Werte von Substanzen mit Rf-Wertenvon Asparagin und Glutamin auf, die nur in der A-Fraktion vorkommen. Vermutlichsind dies Peptide. Ornithin wurde im April im Tiefenwasser nur unter den peptidischgebundenen Aminosäuren der AH-Fraktion gefunden.

Tab. 8a. Konzentration der einzelnen Aminosäuren in den Fraktionen der Proben aus 0,3 m und 130 m Tiefe von Thalwil in 10- 9 Mol pro LiterErklärungen siehe Tab. 6a

ProbeFraktion

1. 3.A

62,AH

0,3 mBH

1. 3.A

62,

AH130 m

BH27.4. 62, 0,3 mA AH BH

27.4.A

62,AH

130 mBH

18.A

5. 62,AH

0,3 mBH

18.A

5. 62,

AH130 m

BH

AminosäuIePhe + +Leu, Ileu 2 18 + 2 1 6 128 + 4 56 10 1 2 + 15 20 10Met + +Val 27 77 + 1 1 9 64 + + 38 + 5 + 10 20a-AnB + + 14Ala 6

9186 42 76 160 34 44 127 } 46 38 140 76 3 8 60 14 116 50

ThrGlu

346 16 178+

200+

110 } 86J 155 56 194 150 67 162 96 llll11JJ

208 88GlySer

15667

369 50 1354J 386 107 125 330 95110

l}218JJJ 1190 505 310 624 540 340 442

780 }35}355Asp + + +

1127Aspl79 +

} 77} 141 111* + }300 l

Arg + + + }150Lys 7 69 18 + 19

111

Orn 13 + 11 24 + } 32 78 37 31 } 60 65 61 42Cys-SH CySO3HTotal 608 965 135 619 791 253 302 882 251 393 1796 852 472 928 761 991 1628 653TotalAH+BH 1100 1044 1133 2648 1689 2281

ti

z0

co

ö

b

CD

CD

N

CD

Tab. 8b. Erklärungen siehe Tab. 6a

Probe

Fraktion

19.7.62,

A AH

0,3 m

BH

19. 7.

A

62,

AH

130 m

BH

15.

A8. 62, 0,3 m

AH BH

15. 8.

A

62,

AH

130 m

BH

12. 9.

A

62, 0,3 m

AH BH

12.9.

A

62,

AH

130 m

BH

AminosäurePhe +Leu, lleu + 34 + + + + + + 27 25 15 39 40 15 28Met + +Val + 53 + + + + + + 40 9 15 34 + 6 18a-AnB 4Ala 110 116 168 52 84 66 26 38 94 14 100 62 52 98 20 30 78 94Thr 60 126 134 52 34 110 6 1 62} 62 18 } 60 200 } 18} 38

l} 10 52 62

Glu11

j J 1111SelzAsp

}615111

760 1190 575 758 860 76 240 1384J

64 355

+1190

l220

+314

+} 76

111312 282

Glu-NH2 + + }190 + 670 168 111Asp-NH2 + + 134 + 20 9 12 JJJ 9Arg J +Lys 34 267 110 267 267 39 61 50 39 240 90 14 112 I } 32} 105Om }170 1 111 50Cys-SH + Hypro

Total 955 1123 1893 789 1143 1303 147 421 599 147 822 1766 334 639 730 337 704 497TotalAH +BH 3016 2446 1020 2588 1369 1201

Tab. 9. Mittlerer prozentualer Gehalt an Aminosäuren in den einzelnen Fraktionen und in den gesamten ProbenserienEindampfproben von Stäfa und Thalwil: AH- + BH-Fraktion = 100 %, Sackproben: AH-Fraktion = 100

ProbeStäfa Eindampfproben

StäfaSackproben

Thalwil Eindampfproben

ganzes Jahr Periode März -Sept. Oberfläche 0,3 m Tiefe 130 m

AH+ AH+ AH+ AH+Fraktion A AH B A AH BH BH A AH A AH BH BH A AH BH BH

=AminosäurePhe 0,5Leu, Ileu 3,7 5,l 3,5 4,4 3,3 4,1 2,9 3,6 4,0 5,l 0,9 4,5 0,9 2,8 l,0 l,9 l,0 l,5Val 3,6 3,3 3,0 3,1 3,6 3,0 3,4 3,1 5,1 5,7 2,0 4,6 2,4 0,5 1,7 0,2 1,0a-AnB 0,7 0,3 0,8 0,5 1,7 4,2 0,4Ala 12,3 13,5 12,5 13,1 11,5 14,0 12,6 13,4 10,3 10,0 12,0 10,9 9,2 10,2 10,7 9,9 7,2 8,7Thr, Glu 20,2 18,5 18,5 18,5 22,3 18,9 17,2 18,2 10,1 17,1 11,6 17,5 12,2 15,3 13,0 10,9 13,5 12,0Gly, Ser 50,3 46,8 47,4 47,0 49,9 47,4 48,6 47,9 52,0 44,2 55,6 53,2 58,8 55,8 49,7 61,4 61,9 61,6Asp 0,4 0,2 0,4 0,3 1,8Glu-NHzAsp-NH2 0,8 4,2 1,2 2,8 l,2 4,9 4,9 4,9 5,l 2,9 6,4 0,4 6,3 3,l 17,0 3,7 8,6 5,8AIgLys, Orn 9,l 7,5 13,9 10,6 8,2 6,5 10,4 8,1 11,7 8,5 11,5 8,9 12,6 10,4 7,7 10,5 7,6 9,4Cys-SH


Mittlerer prozentualer Gehalt an Aminosäuren in den. einzelnenFraktionen und in den gesamten Probenserien, Tab. 9

Der mittlere prozentuale Anteil der einzelnen Aminosäuren in den verschiedenenFraktionen und in den gesamten Probenserien ist auffallend einheitlich.

Den Hauptanteil — rund 50 % — beanspruchen immer Glycin und Serin; es folgenThreonin und Glutaminsäure mit einem Anteil von etwa einem Fünftel. Der Anteilvon Alanin schwankt zwischen 7 % und 14 %. Der mittlere Anteil von Leucin (1-5 %)ist im hydrolysierten Extrakt immer grösser als im nichthydrolysierten. Die Wertevon Valin sind fast ausnahmslos tiefer als diejenigen von Leucin. Arginin, Glutaminund Asparagin haben oft in der prozentualen Zusammensetzung und in den absolutenKonzentrationen der A-Fraktion grössere Werte als in der AH-Fraktion. Vermutlichwurden in diesen Fällen neben den Aminosäuren noch Peptide bestimmt. a-Amino-buttersäure erreicht nur bei den Sackproben im Mittel der AH-Fraktion einen kleinenAnteil.

In Tab. 9 sind für Threonin-Glutaminsäure, Glycin-Serin, Glutamin-Asparaginund Lysin-Ornithin zusammengefasste Werte dargestellt. Die Tabellen 6-8 enthaltenaber teilweise Einzelwerte der genannten Aminosäuren, so dass daraus ersichtlich ist,wie sich die Werte dieser Aminosäuren innerhalb der zusammengefassten Gruppenverhalten. Threonin kommt jeweils in grösserer Konzentration vor als Glutaminsäure(Threonin : Glutaminsäure = ca. 5 : 2). Dagegen verhalten sich Glycin und Serin un-regelmässig. Bei elf Fraktionen mit getrennten Messungen von Glycin und Serin sinddie Werte von Serin in acht Fraktionen grösser als bei Glycin und in drei Proben klei-ner als bei Glycin. Bei zehn Fraktionen mit getrennten Messungen von Lysin undOrnithin sind die Konzentrationen von Lysin grösser und bei sieben diejenigen vonOrnithin.

Obschon der mittlere prozentuale Anteil der einzelnen Aminosäuren in den ver-schiedenen Fraktionen und in den gesamten Probenserien als einheitlich bezeichnetwurde, fallen kleine Unterschiede zwischen den Probenserien auf, die nachfolgendnoch dargestellt werden.

Die Durchschnitte für Leucin sind bei den Eindampfproben von Stäfa höher alsbei denjenigen von Thalwil. Dagegen erreichen Glycin und Serin sowie Lysin, Orni-thin und Cystein in den Eindampfproben von Thalwil etwas höhere Durchschnitteals in denjenigen von Stäfa.

VI. Anorganische Ionen

Die Untersuchungen über anorganische Ionen dienen in dieser Arbeit zur Ergän-zung der Ergebnisse der Aminosäurenbestimmungen. Die stickstoffhaltigen Ionenbilden mit den Aminosäuren zusammen die Grundlage für den Vergleich von anorga-nisch und in Aminosäuren gebundenem Stickstoff (Kapitel VII). Da der Zürichseeschon eingehend untersucht worden ist, erübrigt sich hier eine ausführliche Bespre-chung der Ergebnisse.

NO 3 - mg/1

— 2,0

S 0 Monate


Aus den Kurven der Fig. 12 und 13 geht hervor, dass die Werte nicht wesentlichvon denjenigen anderer Jahre abweichen. In den Uferproben von Stäfa finden wirzum Beispiel gegenüber den Oberflächenproben des Pelagials von Thalwil und Stäfaerhöhte Werte von Ammoniak. Der Verlauf der Nitratkurven stimmt in den Ufer-und Oberflächenproben des Pelagials überein, wobei höhere Werte im Januar—Fe-bruar und eine Abnahme gegen den Herbst hin auftreten. Auch in Untersuchungenfrüherer Jahre lassen sich dieselben Erscheinungen feststellen (THOMAS, 1956/57). DieSchichtung des Nitrates an der tiefsten Stelle bei Thalwil hat den gleichen Verlauf wiein früheren Jahren und stimmt auch mit derjenigen von anderen eutrophen Seenüberein, so beim Baldeggersee und Hallwilersee (BACHOFEN, 1960). Bei der Phosphat-kurve der Uferproben von Stäfa weicht das hohe herbstliche Maximum von den Er-fahrungswerten ab (regelmässige Untersuchungen des kantonalen Laboratoriums).

I I I I I IN D JI

F M A NI

J1

JI

A I SI 0 Monate

Fig. 12. Ammoniak-, Nitrit-, Nitrat- und Phosphatgehalt der Eindampfproben von Stäfaim Jahresverlauf.

0,09 -

0,08 -

0,07 -

0,06 -

0,05 -

0,04 -

0,03 -

0,02 -

0,01 -

JN D

130 m

0 3 m

I I

J J A S 0 Monate

NO3-

130 m

0,3 m


NH3 mg/1

Fig. 13. Ammoniak-, Nitrit- und Nitratgehalt der Proben von Thalwil im Jahresverlauf.

Diese Abweichung dürfte durch äussere, zeitlich begrenzte Einflüsse bedingt sein, dienicht charakteristisch sind für das tatsächliche Geschehen. •

VII. Vergleich zwischen dem anorganisch gebundenen und dem in den gesamten Aminosäuren -enthaltenen Stickstoff

Im folgenden Abschnitt werden die Stickstoffgehalte von Ammoniak, Nitrit, Nitratund den gesamten Aminosäuren aus den AH- und BH-Fraktionen in mg/m3 Wasseraufgeführt und untereinander verglichen (Fig. 14, 15 und 16).

0 Monate


Der anorganisch gebundene Stickstoff umfasst mit wenig Ausnahmen den Hauptteildes in gelösten Verbindungen im Seewasser enthaltenen Stickstoffs. Bei den Eindampf-proben von Stäfa beträgt er durchschnittlich mehr als 70 %, bei den Proben von Thal-wil 80 % im Oberflächenwasser und 93 % im Tiefenwasser (siehe Fig. 16). Der Ami-nosäure-Stickstoff ist nicht bestimmend für die Extreme des Jahresverlaufes; einzigim April bewirkt er ein kleines Maximum. Vom Juli bis zum Oktober finden wir be-dingt durch die Massenproduktion bedeutend niedrigere Gesamtwerte als in den vor-angehenden Monaten.

Der Aminosäure-Stickstoff erleidet nicht die gleiche Zehrung wie der anorganischgebundene Stickstoff. Dadurch wird der prozentuale Anteil des Aminosäure-Stick-stoffs in den Sommermonaten grösser. Eine Ausnahme bildet der Juni, in welchemder Aminosäure-Stickstoff nur 11 % beträgt. Es scheint demnach, dass die Aminosäurenquantitativ als N-Quelle nicht die Bedeutung der anorganischen Ionen haben.

Bei den Eindampfproben von Thalwil nähert sich der Gesamtwert des Ober-flächenwassers im März demjenigen des Tiefenwassers; in den folgenden Monaten sinddie summierten Werte bei den Oberflächenproben bedeutend tiefer als bei den Tiefen-proben, was auf die vermehrte Aufnahme durch das Plankton im Oberflächenwasserzurückzuführen ist. Der anorganisch gebundene und in den Aminosäuren enthalteneStickstoff steigt im Tiefenwasser während des Sommers von Monat zu Monat. Diese

mg / m3

Fig. 14. Anorganisch gebundener und in den gesamten Aminosäuren enthaltener Stickstoff derEindampfproben von Stäfa.


Erhöhung kann durch absinkende, im Abbau begriffene Eiweisse abgestorbenerPlanktonorganismen bedingt sein.

Aus Fig. 16 ist die prozentuale Verteilung der verglichenen Anteile ersichtlich. Amauffallendsten sind die durchwegs niedrigen prozentualen Werte des Aminosäure-Stickstoffs aus dem Tiefenwasser der Proben von Thalwil. Im Oberflächenwasser sinddie entsprechenden Werte grösser, und es zeigt sich ein Maximum im Juli. Die abge-storbenen Organismen erleiden während des Absinkens durch die tropholytischeSchicht bereits einen weitgehenden Abbau, teilweise bis zur mineralischen Stufe, sodass in der Tiefenzone nur noch relativ wenig Aminosäuren vorhanden sind.

Fig. 15. Anorganisch gebundener und in den gesamten Aminosäuren enthaltener Stickstoff derEindampfproben von Thalwil.

100

80

60

40

20

Monate


Fig. 16. Prozentualer Anteil des anorganisch gebundenen und in den gesamten Aminosäurenenthaltenen Stickstoffs.

VIII. Bakteriologische Teste

Die Keimzahl wurde auf Gelatine und die Anzahl der Colibakterien auf Endoagarbestimmt (siehe Tab. 10).

Uferproben von Stäfa:

Die Keimzahl erreicht im Vergleich zu anderen Uferzonen keine vorn Durchschnittabweichenden Werte. Das Maximum liegt im Januar. Auch die Anzahl der Colibak-


Tab. 10. Bakteriologische Teste

Uferproben von Stäfa

MonatColi-Bakterien pro ml

auf EndoagarKeime pro ml auf

Gelatine

Dez. 0 100Jan. 175 364 000Febr. 8 3 800März — —April 7 15 800Mai 16 4 300Juni 23 2 400Juli 18 3 600Aug. 87 5 300Sept. 16 1 035Okt. 26 3 600

Mittel 38 40 394

Proben von Thalwil

MonatColi-Bakterien pro ml

auf Endoagar

0,3m 130 m

Keime pro ml aufGelatine

0,3 m 130 m

Nov. 21 0 15 800 500Dez. 2 0 605 205Jan. 1 0 1 860 105Febr. 0 1 1 470 185März— — — —April 7 1 1 86 255Mai 1 0 695 110Juni 2 0 180 80Juli 0 0 430 96Aug. 1 1 105 95Sept. 1 1 850 320Okt. 11 0 2 700 210

Mittel 5 0-l 2 415 196

terien pro ml ist im gleichen Monat hoch. Mit erhöhten Werten fällt noch der Augustauf. Die Zahl der Colibakterien ist im Uferwasser höher als im Oberflächenwasser derSeemitte.

451

Proben von Thalwil:

Hier sind die Keimzahlen bedeutend kleiner als bei den Proben von Stäfa. IinOberflächen- und Tiefenwasser sind nur kleine Anzahlen von Colibakterien vorhan-den. Etwas erhöhte Werte kommen im November und im April im Oberflächenwasser


vor. Die Keimzahlen im Oberflächenwasser sind höher als im Tiefenwasser. DieMaxima liegen im November.

Bekanntlich geben die hier angewandten bakteriologischen Bestimmungen keinvollständiges Bild der gesamten Bakterienflora. Sie geben keinen Aufschluss über dieArt der Bakterien und ihre Wirkung bezüglich des Abbaus von Eiweissen. Es wirdnur etwa ein Zehntel aller Keime erfasst. Bakterien, denen zum Beispiel auf Gelatine-nährböden bestimmte Aminosäuren als Wachstumsfaktoren fehlen, vermehren sichauf diesem Substrat nicht. Vergleiche zwischen den Keimzahlen und dem Amino-säurengehalt müssen demnach mit Vorsicht gezogen werden.

IX. Freie Zucker

Extrakte der B- und der BH-Fraktion dienten zum Nachweis freier Zucker. DieReinheit dieser Fraktionen genügte nicht für die chromatographische Trennung.Durch Trennung mit Butanol-Eisessig-Wasser auf Whatman-Papier liessen sich nebeneinem deutlichen Flecken einige undeutliche Zonen nach Entwicklung mit Anilin-phthalat feststellen. Auch die Trennung in der Keilstreifenchromatographie mit meh-reren Laufmitteln gelang nicht befriedigend, liess aber neben Glucose noch auf anderereduzierende Zucker schliessen. In diesen Vorversuchen konnte nur Glucose eindeutignachgewiesen werden. In mehreren Extrakten war der Test nach SOMOGYI (1945) aufreduzierende Zucker positiv. Um die Zucker eindeutig identifizieren zu können, muss-ten die Extrakte noch einer Reinigung mittels basischen Ionenaustauschern unterzo-gen werden. Zuerst verwendeten wir ein stark basisches Harz (DOWEX l, X 8,50/100 mesh) in der OH--Form. Die Zucker wurden mit 10 % NaCI eluiert und inmehreren Fraktionen aufgefangen. Einige Fraktionen zeigten mit Anthron positiveReaktionen. Dieses Verfahren eignete sich aber nicht für die nachfolgende Chromato-graphie. In weiteren Experimenten kam ein schwach basischer Ionenaustauscher (Am-berlite IR 4B in der CO 3 --Form) zur Anwendung. Die Probe der Extrakte auf redu-zierende Substanzen nach dieser Behandlung war positiv. Die Extrakte wurden nochder Trennung in der Dünnschichtchromatographie unterzogen. Bedingungen derDünnschichtchromatographie : Stationäre Phase Kieselgur «G Merk» mit Natrium-acetatlösung gepuffert, mobile Phase 65 ml Äthylacetat+35 ml Isopropanol-Wasser2 : 1. Die serienmässigen Untersuchungen konnten erst nach längerer Lagerung derExtrakte bei --20° C durchgeführt werden. Alle 17 untersuchten Extrakte ergabenein negatives Ergebnis. Da Kontrollversuche mit Modellzuckern positiv verliefen undda in Vorversuchen positive Ergebnisse gefunden wurden, sind die negativen Resultatebei der Untersuchung der 17 Extrakte vermutlich auf einen Fehler beim Anreichernund Isolieren der geringen, im Wasser gelosten Zuckermengen zuruckzufuhren; dieMethodik muss in dieser Hinsicht noch weiter ausgearbeitet und überprüft werden.Jedenfalls ist es notwendig, möglichst rasch nach der Entnahme der Wasserprobeneine Fixierung der gelösten Zucker vorzunehmen.

Wie bei unsern Vorversuchen fand BRIGGS (1962) im filtrierten Wasser mehrerer


Seen Glucose. Es dürften sich indessen weitere Zuckerarten finden lassen. BRIGGS

(1962), VALLENTYNE und WHITTAKER (1956) konnten neben Glucose noch Saccharosein filtriertem Seewasser nachweisen.

X. UV- absorbierende Substanzen

In den Keilstreifenchromatogrammen von Extrakten der A-, AH- und BH-Fraktio-nen wurden regelmässig klar begrenzte Zonen festgestellt, die im UV bei ca. 260 mμeine dunkelblaue Farbe zeigten. Die Rf-Werte, im gleichen Laufmittel wie für dieTrennung der Aminosäuren verwendet, variierten zwischen 0,25 und 0,40. In mehrerenExtrakten fanden sich zwei Zonen, die gut voneinander getrennt waren. Die Vermu-tung, es könnte sich dabei um Purine handeln, liess sich bei Prüfung mit einem Sprüh-reagens auf Purine nicht bestätigen. Das Sprühreagens bestand aus zwei Lösungen[a) 0,25 g Quecksilber-(II)-Acetat+einige Tropfen Eisessig in 100 ml 96 % Äthanol,b) 0,05 g Diphenylcarbazon in 96 % Äthanol]. Nach Erhitzen auf 120° wurden keinePurine festgestellt. Im Rahmen dieser Arbeit konnte nicht weiter abgeklärt werden,welcher Art die UV-absorbierenden Verbindungen waren.

XI. Substanzen, welche im UV fluoreszieren

In den Keilstreifenchromatogrammen für die Analyse der Aminosäuren konntenneben den UV-absorbierenden Substanzen auch Zonen festgestellt werden, die imUV fluoreszierten. Manchmal hatten diese Zonen im normalen Licht eine schwachgelbliche Farbe. Je nach Probe liessen sich eine bis maximal fünf deutlich getrennteZonen unterscheiden. Die Rf-Werte lagen zwischen 0,1-0,4.

Diese Beobachtungen stimmen mit den Ergebnissen der Untersuchungen vonSHAPIRO (1957) überein. Er gewann durch Äthylacetatextraktion aus angesäuerten,eingedampften Lösungen von filtriertem Seewasser farbige und farblose Carboxy-säuren. Die farbigen Säuren fluoreszierten ebenfalls im UV. Mehrere gelbe Fraktionenkonnten papierchromatographisch getrennt werden. SHAPIRO bezeichnete diese Säurenals «humolimnic-acids», um die wahrscheinliche Beziehung zu den Huminsäuren zuzeigen. Mehrere Eigenschaften dieser Säuren (unter anderm phenolischer oder enoli-scher Charakter, aromatische, ungesättigte Struktur) erhärten die Ähnlichkeit mitHuminsäuren.

XII. Diskussion

Die Streuungen der quantitativen Bestimmungen der Aminosäuren be-trugen maximal ±7 %. Der Verlust der Aminosäuren am Ionenaustauscher war klein;er überstieg nur in wenigen ungünstigen Fällen 10 %. Die angegebenen Werte könnendaher unter Umständen etwas zu klein sein. Die Fehler der quantitativen Bestimmun-


gen sind kleiner als die Differenzen, welche den Jahresverlauf der verschiedenen Seriencharakterisieren, so dass die grundsätzlichen Überlegungen, die auf den Ergebnissender Versuchsserien beruhen, dadurch nicht verändert werden.

Der Ionenaustauschvorgang kann durch die huminsäureähnlichen Substan-zen (siehe Abschnitt XI) des Seewassers gestört werden, da diese Stoffe ähnlicheFähigkeiten zum Kationenaustausch besitzen wie die Huminsäuren, welche Amino-säuren binden können.

In allen Fraktionen fanden wir gefärbte Substanzen; die B-Fraktion enthielt aberimmer bedeutend mehr als die A-Fraktion. Da erst nach der Hydrolyse der B-Fraktionin der BH-Fraktion Aminosäuren nachgewiesen werden konnten, dürfen wir anneh-men, dass die Aminosäuren an die huminsäureähnlichen Substanzen gebunden waren.Diese Vermutung wird unterstützt durch die Beobachtung, dass auch die Bindungvon Aminosäuren an Huminsäuren des Bodens durch stark saure Hydrolyse gesprengtwerden konnte (SCHEFFER-SCHACHTSCHNABEL, 1960).

Auch POVOLEDO (1960) fand gefärbte Substanzen, an die Aminosäuren gebundenwaren. Es gelang ihm nicht, mittels Elektrophorese die Aminosäuren von den gefärb-ten Substanzen zu trennen.

Auf Grund der Ergebnisse dieser Untersuchungen kann nicht gezeigt werden, obneben Aminosäuren auch Peptide und Eiweisse an die huminsäureähnlichen Substan-zen gebunden sind, weil durch die Hydrolyse, die nötig war zur Trennung der Bin-dung der Aminosäuren oder der fraglichen Peptide und Eiweisse an die genanntenSubstanzen, die Peptidketten in ihre Bausteine zerlegt werden.

Durch die Hydrolyse bildeten sich in der AH- und in der BH-Fraktion brauneNiederschläge (auch hier enthielt die BH-Fraktion immer bedeutend mehr als dieAH-Fraktion). In Löslichkeit in Alkali, Farbe und Fluoreszenz im UV verhielten sichdiese Niederschläge gleich wie Huminsäuren. Es wurde nicht geprüft, wieviel Stick-stoff in diesen huminsäureähnlichen Stoffen enthalten ist. SHAPIRO (1957) zeigte durchElementaranalyse, dass in den im UV fluoreszierenden, huminsäureähnlichen Sub-stanzen aus Seewasser kein Stickstoff enthalten ist. Sicher gibt es aber auch unter an-deren Fraktionen der gefärbten Substanzen des Seewassers wie auch unter den Hu-minstoffen des Bodens stickstoffenthaltende Komponenten.

Der Vergleich zwischen Ergebnissen aus Proben von oberitalienischenSeen (POVOLEDO, 1960 und 1961) und denjenigen des Zürichsees zeigt neben Über-einstimmungen Differenzen, welche durch die Verschiedenheit der Seen bedingt sind(Oberfläche, Tiefe, Eutrophiegrad, Zoo- und Phytoplankton und anderes).

In vielen Proben oberitalienischer Seen wurden β-Alanin, Tyrosin, y-Aminobutter-säure und Histidin gefunden, was in den Zürichseeproben nicht der Fall war. Phenyl-alanin, in den Proben der oberitalienischen Seen immer vorhanden, konnte nicht inallen Zürichseeproben festgestellt werden. Weil die Gehalte der Aminosäuren in denArbeiten von POVOLEDO (1960 und 1961) in Mol der adsorbierten Aminosäuren aneiner bestimmten Menge Ionenaustauscher angegeben sind, ist mit den Zürichsee-proben nur ein Vergleich der relativen Anteile der Aminosäuren möglich. Die Proben-serien der oberitalienischen Seen weisen mit denjenigen des Zürichsees im relativenAnteil der Aminosäuren wesentliche Übereinstimmungen auf.

Glycin, Serin, Threonin, Alanin und Glutaminsäure haben zusammen immer den


grössten relativen Anteil, erreichen aber in den Zürichseeproben grössere Werte alsin denjenigen der oberitalienischen Seen. Im Oberflächenwasser von oberitalienischenSeen finden wir höhere Werte von Glycin und Serin als im Tiefenwasser. In denSommermonaten treffen wir im Zürichsee nur im Juli und September die gleichen Ver-hältnisse. Der prozentuale Anteil von Valin ist in den Proben beider Untersuchungenim Oberflächenwasser höher als im Tiefenwasser. Asparaginsäure erreicht im Wasserder oberitalienischen Seen höhere Werte als im Zürichseewasser. Alanin und Threoninnehmen in den oberitalienischen Seen in einer Probe den grösseren prozentualen An-teil in Anspruch als Glycin und Serin; gleiche Verhältnisse konnten im November inder Uferprobe von Stäfa in der A- und der AH-Fraktion festgestellt werden.

Aus dein Abschnitt über den anorganisch gebundenen und in den gesam-ten Aminosäuren enthaltenen Stickstoff geht hervor, dass der Aminosäure-stickstoff für die Algen in quantitativer Hinsicht eine unbedeutende Stickstoffquelleist. Als Kohlenstoffquelle kommen die Aminosäuren in der Uferzone nicht zu Bedeu-tung, weil die Uferalgen den Kohlenstoff leicht aus der Photosynthese gewinnen, diein dieser Zone mit ausgezeichneten Lichtverhältnissen begünstigt ist.

Über die Abbaumechanismen der Aminosäuren im Seewasser bestehennoch keine Untersuchungen, jedoch gelten im Wasser die gleichen Möglichkeiten wieim Boden oder im tierischen Körper. Es müssten folglich auch Abbauprodukte vonAminosäuren (Ketosäuren, Amine, Aldehyde, Fettsäuren), welche durch Desaminie-rung und Decarboxylierung entstanden sind, gefunden werden. In Flusswasser wur-den organische Säuren in sehr kleinen Mengen nachgewiesen, die teilweise als Abbau-produkte von Aminosäuren zu denken sind (MUELLER und Mitarbeiter, 1958 und1960).

Die Ergebnisse dieser Arbeit können erst richtig beurteilt werden, wenn man sieals Ausschnitt eines dynamischen Geschehens betrachtet. Es wäre daher wichtig, An-gaben über den zeitlichen Verlauf des Eiweissabbaus zu haben. Aus Ver-suchen mit Bodenproben geht hervor, dass Aminosäuren in wenigen Tagen vollstän-dig mineralisiert sind und dass Ketosäuren rascher abgebaut werden als Aminosäuren(VAN DIEL, 1961). Es ist anzunehmen, dass im Seewasser diese Abbauvorgänge raschervor sich gehen. In biologischen Abwasserreinigungsanlagen geht ein weitgehenderAbbau in ca. einer Stunde vor sich. Abbauprodukte von Eiweissen können somit inrelativ kurzen Zeiträumen als mineralische Nährstoffe für neue Algenentwicklungenzur Verfügung stehen. Das zeigt, wie bei Algensukzessionen eine vorangehende Mas-senentwicklung einer bestimmten Art bei der Lyse die sich nachfolgend entwickelndenAlgen beeinflussen kann.

Alle Vorgänge des Stoffwechsels im See werden sehr kompliziert, wenn man diegelösten organischen Stoffe in die Beurteilung einbezieht. Man darf sie aber nichtausser acht lassen aus Gründen, die in der Einleitung erwähnt wurden, und weil dieMenge der gelösten organischen Stoffe im Seewasser jene des Geformten (in derHauptsache des Planktons) um ein Mehrfaches übertrifft (BIRGE und JUDAY, 1934).Die Kenntnisse über die organischen Stoffe und ihre Wirkung auf die im See lebendenOrganismen sind heute noch lückenhaft, so dass es schwierig ist, die Ergebnisse dieserArbeit, welche stofflich, zeitlich und örtlich ein begrenztes Bild umreissen, erschöpfendzu interpretieren.


Im folgenden sei versucht, einige Zusammenhänge zwischen Algenent-wicklung und dem Gehalt des Seewassers an Aminosäuren darzustellen.

Vom November bis März sind in den Uferproben die Konzentrationen der freienAminosäuren, der peptidisch gebundenen Aminosäuren der AH-Fraktion sowie derGesamtgehalt aller Fraktionen bedeutend niedriger als in den folgenden Monaten,was auf weniger abzubauendes, organisches Material hinweist. Der relative Amino-säuregehalt in der BH-Fraktion ist in den Wintermonaten gross (November—März).Es wäre zu prüfen, ob im Winter der relative Anteil von huminsäureähnlichen Sub-stanzen, die Aminosäuren binden können und die in der B-Fraktion vorherrschen,grösser ist als in den Sommermonaten. Im Uferwasser bei Stäfa und in den Ober-flächen- und Tiefenproben bei Thalwil finden wir die Maximalwerte der peptidischgebundenen Aminosäuren der AH-Fraktion im April, was als Folge des Abbaues vonAlgen der Frühjahresvegetation gewertet werden kann.

Nach Maximalwerten im April nehmen die Werte in den folgenden Monaten ab.Diese Abnahme deckt sich mit der stetigen Zunahme der Masse der Uferalgen. Esscheint hier ein direkter Zusammenhang zwischen Uferalgenentwicklung und demGehalt der Aminosäuren zu bestehen. Es ist aber damit nicht bewiesen, ob die Ufer-algen für die Entwicklung Aminosäuren unbedingt benötigen. Um die wechselseitigenBeziehungen zwischen Aminosäuregehalt und Uferalgen weiter abzuklären, sind Ver-suche unter Laboratoriumsbedingungen unerlässlich. Es wäre interessant, ob in Kul-turversuchen von Cladophora und Rhizoclonium (THOMAS, 1963) mit Zusätzen vonAminosäuren in qualitativ und quantitativ gleichem Gehalt, wie er im Uferwasserfestgestellt worden ist, Wirkungen auf das Wachstum erzielt werden könnten.

Die Massenentwicklung der Uferalgen fand im Laufe des August den Abschluss.Es wäre zu erwarten, dass die Werte im August, bedingt durch die Zersetzung derUferalgen und den Abbau ihrer Eiweisse, höher wären. Das ist nicht der Fall, weildie Uferalgen, welche als Watten in den Uferzonen schwammen, durch windbedingteStrömungen in andere Seebezirke verfrachtet werden, wo die Lyse vor sich geht. Ichkonnte einigemale beobachten, dass Buchten mit vielen schwimmenden Algenwattennach Sturm grösstenteils frei von den Massen der schwimmenden Algen waren.

In Laboratoriumsversuchen über die Wirkung von organischen Stoffen auf dasWachstum von Algen sollten noch andere Substanzgruppen geprüft werden. Als sehrwichtig erachte ich die Vitamine des B-Komplexes, welche schon für verschiedeneAlgen als Wachstumsfaktoren in Frage kommen (siehe Einleitung). Vitamin B 12konnte von DAISLEY (1961) in Meerwasser nachgewiesen werden.

XIII. Zusammenfassung

Während eines Jahres erfolgten Untersuchungen über den Gehalt des Zürichsee-wassers an Aminosäuren. Die Proben stammten aus der Uferzone von Stäfa und ausdem Pelagial und Profundal bei Thalwil (tiefste Stelle des Sees).

In der Uferzone kamen zwei verschiedene Methoden zur Anwendung, die mitein-ander verglichen werden:


a) Proben von 10 Litern zur direkten Analyse der Aminosäuren;b) Ionenaustauscher wurden in speziellen Säcken während drei Tagen in den See ge-

hängt. Das ammoniakalische Eluat dieser Ionenaustauscher prüften wir auf Ami-nosäuren.

Die Proben von a (Eindampfproben) konnten in vier Fraktionen aufgeteilt werden:

— A-Fraktion: Ninhydrinpositive Substanzen, die an stark saurem Kationenaustau-scher adsorbiert wurden.

— B-Fraktion: Substanzen, .die durch die Ionenaustauschersäule liefen.— Die Hydrolysate dieser Extrakte bildeten die AH- und die BH-Fraktion.

In der B-Fraktion konnten nie freie Aminosäuren festgestellt werden.Die Konzentration der Totalaminosäuren schwankt zwischen 1 und 6 . 10-6 Mol

pro Liter; die höchsten Werte von einzelnen Aminosäuren überschreiten nie dieKonzentration von 0,6 . 10-6 Mol pro Liter in den A-Fraktionen, während in denhydrolysierten Extrakten Höchstwerte von 1 2 . 10-6 Mol pro Liter vorkommen. DieUferproben wiesen grössere Mengen auf als diejenigen des Pelagials und Profundalsbei Thalwil. In den BH-Fraktionen wurde der Hauptanteil der Aminosäuren gefunden.Der relative Anteil der peptidisch gebundenen Aminosäuren der AH-Fraktion undderjenige der freien Aminosäuren variiert stark. Im qualitativen und im quantitativenGehalt an Aminosäuren in den verschiedenen Fraktionen zeigen sich manche Über-einstimmungen. Die einfachen, aliphatischen..Aminosäuren herrschen vor.

Es werden einige Beziehungen zwischen dem Chemismus des Wassers (anorgani-sche Ionen, Aminosäuren) und biologischen Erscheinungen (Entwicklung von Ufer-algen) dargestellt.

Voruntersuchungen über freie Zucker zeigten, dass Glucose neben andern Kohle-hydraten vorkommt.

Substanzen, welche im UV fluoreszieren und solche, die UV absorbieren, konntenpapierchromatographisch getrennt werden.

Summary

For a year investigations on the concentration of aminoacids in water samplesfrom the lake of Zurich were carried out. These samples were taken from parts nearthe shore at Stäfa and from the pelagial and profundal at Thalwil (deepest part ofthe lake).

When taking the samples near the shore, two different methods were applied andsubsequently compared.

a) Sample of 10 litres : for direct analysis of aminoacids in lake water.b) Ion-exchange resins : Special bags filled up with ion-exchange resins were suspended

into _the _water for three_days. The _ ion-exchange _resin was eluated with ammonia,and the aminoacids of the eluate were studied.

From each 10-litres sample four different extracts were obtained:

A: ninhydrine-positive substances, that were absorbed on strongly acid cation-exchange resins.


B: Substances passing through the ion-exchange resin.AH and BH: The hydrolysates of these extracts.

No free aminoacids at all were found in B.The concentration of the total-aminoacids varied between 1 and 6 . 10-6 mol per

litre. The particular aminoacids never exceed the concentration of 0,6 . 10-6 mol perlitre in the A-extracts, whilst in the hydrolysated extracts concentrations of 1-2.10-6mol per litre were found. The samples from the shore contain larger quantities ofaminoacids than those of the litoral zone. The largest proportion of aminoacids wasfound in BH. The relative proportions of those peptidically linked of the AH-extractto the free aminoacids varied considerably. The qualitative and quantitative extractsshow certain conformities. The non-cyclic mono-amino-carbon acids prevail. Someconnections between the chemism of the water (anorganic ions, aminoacids) and ofbiological phenomenae (development of algae) are discussed. Brief investigations onfree sugars showed that glucose is found among other carbo-hydrates.

UV-absorbing substances could not be identified as purines. Substances withfluorescence in UV and those absorbing UV could be separated by paper chromato-graphy.

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Hydrologie 8, 5-143.

XV. Verwendete Substanzen

Herstellerfirma Reinheitsgrad AminosäurenFluka AG, Buchs purissimum DL-Leu, DL-Ala, DL-Phe, DL-Met,

DL-Thr, DL-Glu, DL-Orn-2HCl,l-Asp, DL-Glu-NH2 , l-Cit.

purum Gly, DL-Lys.Moldovanyi & Co., purissimum l-Arg-HCI, l-Cys-SH, l-His-HCI,Zürich I-Ileu, DL-Ser, l-Try, l-Val.

Untersuchungen über organische Stoffe im Wasser des … · Von JÖRG SCHÜRMANN (Zürich)...

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