Use of Plant Bioassays for the Detection of Genotoxins in the Aquatic Environment

Abstract

The present article describes the use of plant bioassays for the detection of genotoxins in the aquatic environment and gives an overview of test methods, their detection spectrum for environmental mutagens and carcinogens and their limitations and pitfalls. The most widely used test systems are micronucleus assays with meiotic cells of Tradescantia and with meristematic root tip cells of Allium and Vicia. In the last years, protocols for single cell gel electrophoresis assays have been developed, which can be conducted with a variety of species. Also various gene mutation test procedures have been developed with plants but they have hardly ever been used in environmental studies. Plants detect a broad variety of environmentally relevant genotoxins, in particular directly acting compounds. Many pesticides and industrial chemicals caused positive results; plant assays are also a unique tool for the detection of DNA-reactive carcinogenic heavy metals in the environment. In many studies with complex mixtures, positive results were obtained which indicates that plants are sufficiently sensitive to detect effects without concentration of water samples. One of the shortcomings of the use of plants as indicators is their lack of sensitivity towards certain classes of promutagens such as nitrosamines, heterocyclic amines, and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs). However, the former compounds are hardly encountered in the environment and PAHs can easily be detected chemically and in other mutagenicity tests. Taken together, the currently available data show that plant bioassays are a useful component of test batteries for environmental monitoring. Pflanzen-Bioassays zur Detektion von Gentoxinen im aquatischen Milieu Der vorliegende Artikel beschreibt die Anwendung von Bioassays mit Pflanzen zum Nachweis von Gentoxinen im aquatischen Milieu. Er beinhaltet einen Überblick über Testmethoden, Nachweisspektren von Umweltmutagenen und -kanzerogenen sowie mögliche Einschränkungen und Trugschlüsse. Die häufigsten Testmethoden sind Kleinkerntests mit meiotischen Zellen von Tradescantia und meristematischem Wurzelgewebe von Vicia und Allium. In den letzten Jahren wurden auch Protokolle für Einzelzellgelelektrophoresetests entwickelt, die mit einer Vielzahl an Arten durchgeführt werden können. Darüber hinaus wurden auch mehrere Genmutationstests mit Pflanzen entwickelt, doch diese Verfahren werden kaum in Umwelttests verwendet. Pflanzen detektieren ein breites Spektrum an umweltrelevanten Gentoxinen, vor allem direkt reaktive Substanzen. Viele Pestizide und Industriechemikalien führten zu positiven Resultaten; Pflanzentests sind außerdem ein einzigartiges Hilfsmittel zur Detektion von DNA-reaktiven, kanzerogenen Schwermetallen in der Umwelt. In vielen Studien mit komplexen Gemischen wurden positive Effekte erhalten, dies zeigt, dass Pflanzen empfindlich genug sind, um auch ohne Aufkonzentrierung von Wasserproben als Indikatoren zu dienen. Ein Nachteil dieser Systeme ist die fehlende Empfindlichkeit pflanzlicher Organismen gegenüber bestimmten Klassen von Promutagenen wie Nitrosaminen, heterocyclischen aromatischen Aminen und polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK); die erstgenannten Chemikalien sind jedoch kaum in der Umwelt vorhanden, PAK können leicht durch chemische Testverfahren bzw. durch andere Mutagenitätstests detektiert werden. Zusammenfassend zeigen die derzeit verfügbaren Daten, dass Bioassays mit Pflanzen einen nützlichen Bestandteil von Testbatterien für Umweltprüfungen darstellen.