Blüten toxischer Cyanobakterien als Folge der Eutrophierung von Nutzgewässern und Aquakulturen

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1 Ringvorlesung h (G. Gerdes) Blüten toxischer Cyanobakterien als Folge der Eutrophierung von Nutzgewässern und Aquakulturen Einführung Folie 1: Blütenbildung toxischer Cyanobakterien in der Ostsee Folie 1: Die im Zitat genannte unklare Definition des Begriffs Blüte ist darauf zurückzuführen, dass es in vielen konkreten Situationen nicht möglich ist, eindeutig von einer Blüte zu sprechen. Dieses Problem wird an konkreten Fällen in der Vorlesung verdeutlicht. Folie 2: Blüten sind natürliche Phänomene

2 Folie 2: Saisonale Wechsel in Dominanz und Vermehrung verschiedener planktischer Arten oder Gruppen (Diatomeen, Grünalgen, Cyanobakterien etc.) sind natürlicher Bestandteil eines Gewässers. Sie erzeugen einen beträchtlichen Anteil der Primärproduktion und bilden ökologisch betrachtet den Treibstoff für das Funktionieren des Gewässer-Ökosystems. Jedoch kommt es immer häufiger durch äußere Einflüsse, z.b. Überdüngung, zur nachhaltigen Veränderung der Biozönosen, und Toxine bildende Arten werden dominant. Folie 3 Folie 3: Potentiell toxische Cyanobakterien kommen zunehmend und weltweit in Süß- und Brackgewässern als Folge der Eutrophierung zur Massenvermehrung. Für Nutzgewässer und Aquakulturen entstehen daraus ernsthafte Gefahren für Mensch und Tier. Besonderheiten im Vergleich zu den Algen: Cyanobakterien gehören zu den Prokaryoten und stehen in der Evolution am Beginn der Entwicklung des irdischen Lebens. Sie sind sehr viel älter als die Algen, denen sie häufig umgangssprachlich als Blaualgen oder blaugrüne Algen zugeordnet werden. Heute gilt als nahezu gesichert, dass Cyanobakterien die Vorläufer der Plastiden aller Algen und höheren Pflanzen darstellen. Einige für das Thema wichtige Leistungen der Cyanobakterien. Folie 4: Cyanobakterien kommen als typische Biofilmbildner selten als Einzelzellen in wässrigen Medien vor. Charakteristisch sind Kolonie- und Aggregatbildungen. Zellen fädiger Arten, z.b. der Gattungen Anabaena und Nodularia, liegen in gallertigen Scheiden aus extrazellulären polymeren Substanzen (EPS) aneinandergereiht, kokkoide Arten, z.b. der Gattung Microcystis, bilden in EPS lagerförmig eingebettete Zellaggregate. Kolonie- und Aggregatbildungen führen zu vergrößerten Oberflächen mit verändertem Auftriebsverhalten und stabilisieren den Verbund der Zellen (Biofilm-Merkmale). Sie treten in der Wassersäule der Gewässer häufig inhomogen verteilt auf und erschweren damit die quantitative Datenerhebung bei der Blütenbildung (siehe Fallbeispiel Banter See, Folien 13 19).

3 Folie 4: Kolonie- und Aggregatbildungen Folie 5 Folien 5 und 6: Viele Arten, die in der Ostsee (Brackgewässer) und anderen Süß- oder Brackgewässern Blüten bilden (die Folie nennt einige Beispiele) verfügen über die Fähigkeit, ihre Positionen im Lichtgradienten zu optimieren, z.b. im Morgenlicht zur Gewässeroberfläche zu driften und während des Tages mit zunehmender Strahlung sich vertikal tiefer anzureichern. Bei punktuellen Beprobungen der Gewässer ist dieses Verhalten im Lichtgradienten, und sind ebenso die äußeren Witterungsverhältnisse (Bewölkung, Strahlung) zu berücksichtigen.

4 Folie 6 Folie 7: Viele Cyanobakterien, z.b. der blütenbildenden Gattungen Nodularia, Aphanizomenon und Anabaena, können im Wasser gelösten molekularen Stickstoff als Stickstoffquelle nutzen. Diese Fähigkeit verleiht den Stickstoff fixierenden Arten eine gewisse Autarkie gegenüber den häufig mit ihnen vergesellschafteten eukaryotischen Phytoplanktern, die auf gelöste Nährsalze, vor allem Nitrat, angewiesen sind (Sommer 1996; Cypionka 2004). Folien 8 und 9: Viele blütenbildende Arten, z.b. der Gattungen Nodularia, Aphanizomenon und Anabaena, bilden bei ungünstigen Wachstumsbedingungen, z.b. gegen Ende der sommerlichen Wachstumsperioden, Dauerzellen, die mit Reservestoffen angefüllt zum Boden der Gewässer absinken und dort Bestandteile der Sedimente werden. Sie können im nächsten Frühjahr oder Frühsommer oder auch längeren Ruhephasen wieder auskeimen und erneut Blüten bilden. Folie 7: N 2 -Fixierung

5 Folie 8 Folie 9 Folie 10 bis 12: Als weitere Fähigkeit ist die Toxinbildung von Cyanobakterien, die Blüten im Süsswasser (Flüsse, Seen) und in Brackgewässern wie die Ostsee bilden können. In der Tabelle in Folie 10 sind vorkommende Toxine mit leberschädigender und nervenschädigender Wirkung und ihre Produzenten aufgelistet (Näheres siehe Codd 1989). Zur Funktion cyanobakterieller Toxine liegen wenig Daten, aber viele Spekulationen vor. Dabei werden Microcystine z.b. als Metallionen bindende Proteine, Komponenten von Lichtschutzsystemen, oder als Speicherstoffe angenommen. Näherliegend: Abwehr von Zooplankton: Wasserflöhe, die Microcystine produzierende Cyanobakterien fraßen, starben innerhalb von wenigen Tagen. Als Gefahren für Menschen werden einerseits kurzfristige Krankheitssymptome (Folie 11, 12), andererseits aber Langzeitschäden und vor allem auch kanzerogene Eigenschaften nachgewiesen.

6 Folie 10 Folie 11

7 Folie 12 Fallstudie einer Cyanobakterienblüte im Banter See (Folien 13 19) Folie 13

8 Folie 14 Folie 15 Der Banter See ist ein oligotrophes Brackgewässer im Stadtgebiet von Wilhelmshaven. Cyanobakterien-Blüten (Dominanz von Nodularia spumigena) ereignen sich darin azyklisch, jedoch mit zunehmender Tendenz (Berichte aus den Jahren 1990, 2000, 2003, 2004). Die Blüte wird optisch durch schlierig-schaumige Ansammlungen von Fäden und Fadenbündeln sichtbar (Folie 14). Die Sichttiefe (ein Überwachungskriterium für Blütenbildungen) ist stark vermindert.

9 Folie 16 Folie 17

10 Folie 18 Folie 19 Im Jahr 2003 wurden aus der euphotischen Zone des Sees vierzehntägig jeweils am Morgen an verschiedenen Stationen Wasserproben genommen, die Dichten der Planktonorganismen unter dem Mikroskop ausgezählt und die relative Abundanz bestimmt (Folien 16 18). Im Frühjahr und Frühsommer waren noch Grünalgen und Diatomeen dominant. Ende Juni wurden erstmals Organismen der Art Nodularia spumigena in den Proben häufiger beobachtet. Anfang Juli wurde die Art nahezu sprunghaft bestandsbildend (vgl. auch Folie 14). Die Cyanobakterien-Dominanz hielt sich bis in den Oktober hinein. Erst mit dem beginnenden Winter wurden die Diatomeen wieder häufiger

11 Wassertemperaturen und N/P-Verhältnisse werden als wesentliche, möglicherweise synergistisch wirkende Faktoren gewertet. Im Banter See stiegen die Temperaturen im Jahr 2003 aufgrund des warmen Sommers auf Werte bis nahezu 25 C (Folie 19). Nährstoffe und Eutrophierung Folie 20: Nährsalze, Redfield-Gleichung Die anorganischen Nährsalze Nitrat, Ammonium und Phosphat begrenzen häufig die Phytoplanktonentwicklung. Streng genommen gehören zu den Nährstoffen auch die sogenannten Mikronährstoffe wie Eisen, Magnesium und andere Elemente, die die Organismen zum Aufbau funktionsfähiger Biomasse benötigen. Für die Kieselalgen ist das Silikat ein wichtiges Nährsalz, von dem man allerdings annimmt, dass seine Konzentrationen anthropogen nicht beeinflusst werden. Daher kann Silikat auch als Bezugsgröße für natürliche Verhältnisse verwendet werden. Folie 20 Das Redfield-Verhältnis beschreibt das molare Verhältnis der wichtigsten Elemente in der Algen-Biomasse: C 106 H 263 O 120 N 16 P 1. Es dient als Maß für den Grad der Ausgewogenheit der Nährstoff-Verhältnisse in Gewässern. Eine der Ursachen für die Entstehung schädlicher Blüten ( harmful algal blooms, HAB!) liegt nachweislich in einem unausgewogenen Verhältnis anorganischer Nährsalze (Johannson & Granelli 1999). Hierauf weisen auch Untersuchungen dreier im Sommer des Jahres 2003 untersuchter Seen hin. Von einem niedrigen N/P-Verhältnis im Accumer See profitieren N 2 - fixierende Arten der Gattungen Aphanizomenon und Anabaena, während vom hohen N/P- Verhältnis im Saller See die nicht N 2 -fixierende Art Microcystis aeruginosa profitiert.

12 Folie 21 Jedoch treffen lineare Ableitungen nicht immer zu. Problematisch kann es sein, einen direkten Zusammenhang zwischen dem Massenwachstum blütenbildender planktischer Cyanobakterien und hohen Nährstoffkonzentrationen abzuleiten. Vielmehr ereignen sich Cyanobakterien-Blüten oftmals auch dann, wenn die Nährstoffkonzentrationen niedrig sind oder sogar unter der Nachweisgrenze liegen. Der Banter See ist ein treffendes Beispiel hierfür. Eine wesentliche Bedeutung für die Entwicklung von Cyanobakterien-Blüten wird dem Vorhandensein reaktiven Phosphats zugeschrieben. Dabei ist aber wiederum zu bedenken, dass Cyanobakterien, zumindest mehrere Arten, in der Lage sind, bei Phosphatmangel einen Ausgleich zu schaffen, indem zellintern abgelagerte Phosphatspeicher genutzt werden oder es auch zur verstärkten Phosphatase-Produktion kommt. Folie 22 bis 25: Notwendigkeit, Chancen und Risiken von Aquakulturen Der Aquakultur (im oder am Meer auch Marikultur genannt) wird eine wachsende Bedeutung für die Welternährung zugeschrieben. Der Bedarf an Fischereierzeugnissen wächst ständig, während die Fänge der Weltfischerei stagnieren und eine Steigerung der Fischerei bzw. der Ausbeutung der Resourcen unwahrscheinlich ist. Aus der Intensivhaltung von Fischen, Krebsen und Muscheln erwachsen jedoch ähnliche Probleme, wie sie für die terrestrische Massentierhaltung bekannt sind. Ein Hauptverdächtiger aber, nach der Landwirtschaft, ist die marine Fischzucht selber. Giftalgenblüten stehen mit der Anreicherung organischer und anorganischer Nährstoffe in der Umgebung von Fischfarmen in Verbindung (Rensel & Martin 1999).

13 Folie 22 Die Tabelle in Folie 24 zeigt die mit N und P angereicherten Abwasserfrachten aus der Intensivhaltung von tiger shrimps (Penaeus monodon) in Beziehung zum eingesetzten Futter und zur Biomasse-Ernte. Die Tabelle zeigt gleichzeitig, dass sich die N- und P- Konzentrationen im Abwasser verringern lassen, wenn weniger Nahrungspartikel zu Boden sinken und eine verbesserte Nahrungsauswertung (food conversion rate) durch die Zuchttiere erreicht wird. Folie 23

14 Folie 24 Die Tabelle in Folie 25 zeigt Phosphor-Freisetzungsraten aus Sedimenten unter verschiedenen Bedingungen, so auch durch Akkumulation von Fischfutterresten und Exkrementen unter den Käfigen von Fischfarmen (Eissa 1983). Da die Akkumulation bei weitem die Fixierungskapazität der Sedimente übersteigt, findet Nährstoff-Freisetzung in die Wassersäule statt. Dort stimulieren diese Nährstoffe blütenbildende Mikroorganismen. Die Freisetzung von P erfolgt unter den Käfigen der Fischfarmen bereits unter aeroben Bedingungen, die Raten sind unter anaeroben Bedingungen aber generell höher (s.a. Temporetti & Petrozo 2000: Schätzung, dass ca. 66 % des in der Fischnahrung vorhandenen Phosphats am Boden des untersuchten Gewässers akkumuliert). Auch die Ostsee-Anrainerstaaten denken vor dem Hintergrund, dass der Ertrag aus der Fischerei stark rückgängig ist, über den verstärkten Aufbau von Fischfarmen nach. Die Ostsee wird andererseits stark von Cyanobakterien-Blüten belastet (siehe auch Folie 1). Die Planer gehen zwar davon aus, dass durch zunehmenden Bau von Kläranlagen Nährstofffrachten aus den in die Ostsee entwässernden Flüssen stark reduziert würden. Auch hier ist aber zu bedenken, dass das Massenwachstum von Cyanobakterien nicht unbedingt durch Reduktionen von N oder P limitiert zu werden brauchen. Letzteres wirkt eher auf die Massenentwicklungen von Diatomeen und anderen Algen, während die Untersuchungen vielmehr darauf hinweisen, dass mehrere Cyanobakterien, darunter auch in der Ostsee häufige, potentiell toxische Arten der Gattung Anabaena in Gewässern mit niedrigen P-Konzentrationen unter alkalinen Bedingungen gegenüber eukaryotischen Algen, z.b. Diatomeen, Konkurrenzvorteile besitzen (Schernewski & Neumann 2002). In einem Simulatonsmodell ermittelten die Autoren lokal in einigen südlichen und östlichen Teilen Anstiege der Cyanobakterien-Biomasse bis zu 600 %.

15 Folie 25 Maßnahmen zur Kontrolle toxischer Blüten in Nutzgewässern und Aquakulturen (Folien 26 bis 30) Folie 26: Kommunen, in deren Verwaltung sich Nutzgewässer befinden, sind zur Überwachung verpflichtet. Dabei werden bestimmte Kriterien und Grenzwerte zugrunde gelegt (siehe auch EU-Wasserrahmenrichtlinien). Soweit es die Gewässertiefen und die vorhandenen Tier-Populationen zulassen, werden auch Pumpensysteme (Beispiel Folie 27 und 28) eingesetzt, mit denen turbulente Strömungen erzeugt werden, um dadurch in der Wassersäule sich aufbauende physiokochemische Schichtungen oder Gradienten zu zerstören. (Knud-Hansen 2003). Dabei geht man geht von der Prämisse aus, dass Cyanobakterien ruhiges Wasser bevorzugen (Pearl 1995) und in ihrem Wachstum eingeschränkt werden, wenn die Wassersäule kontunuierlich bewegt wird.

16 Folie 26 Folie 27 Bevor Küstenzonen und Binnengewässer durch die Anlage von Aquakulturen nachhaltig verändert werden, ist es sehr wesentlich, die standortspezifischen Belastungsgrenzen zu ermitteln (Beispiel: Shrimps-Farmen in Mangroven). So gehört zu den Forderungen der FAO nach Bester Umweltpraxis (Enell 1995) ein nachhaltiges Küstenzonen- und Binnengewässer-M anagement unter sorgfältiger Berücksichtigung der ökologischen Sensiblität der genutzten Räume (Beispiel: Folie 29).

17 Folie 28 Folie 29

18 Fazit Rezepte klingen leicht, sind es aber nicht. Hinter den Massenentwicklungen potentiell toxischer Cyanobakterien stehen komplexe und nicht lineare Zusammenhänge. Sehr viel Grundlagenforschung ist noch erforderlich, um diese komplexen Zusammenhänge zu verstehen und sinnvolle Maßnahmen davon abzuleiten. Je weniger bekannt ist, desto mehr nehmen Spekulationen zu. Leider führt die gegenwärtig immer stärker um sich greifende, nicht unberechtigte Angst vor den gesundheitlichen und ökonomischen Auswirkungen toxischer Blüten (s.a. Nausch 2000) eher zu vorschnellen Interpretationen und Lösungsa nsätzen, als dass Gesetzgeber, Kommunen und sonstige Einrichtungen bereit sind, Grundlagenforschung auf dem Gebiet in genügendem Maße zu fördern. Literatur: Börner, T. (2001): Die Toxine der Cyanobakterien. Biologie in uns. Zeit 31, Eissa, M.G. (1983): über die Wirkung von Fischfutterresten in der Aquakultur auf die Änderung des ph-wertes und Anreicherung des Wassers mit Ammoniak, Ammonium und Nitrat unter unbelüfteten und belüfteten Bedingungen. Arch. Hydrobiol. 98, Enell 1995: Environmental impact of nutrients from Nordic fish farming. In: Cowey, C.B. ed.: Nutritional strategies and management of aquaculture waste. Water Science & Technology, 3 (10), Knud-Hansen, C.F. (2003): Evaluation of Solar Bees for blue-green algae control in East Gravel Lake 4. Memorandum, unpublished.(internet). Nausch, M.(2000): Toxische Algenblüten eine neue Naturkatastrophe? Internet k

19 Pearl, H.W. (1995): Ecology of blue-green algae in aquaculture ponds. J. World Aquaculture Soc. 26, Rensel, Martin (1999): Draft guidelines for harmful algal management and mitigation. Schernewski, G., Neumann, T. (2002): Perspectives on eutrophication abatement in the Baltic Sea. In: Littoral 2002: The Changing Coast EUROCOAST, Portugal, Whitton, B.A., Potts, M. (2000): The ecology of cyanobacteria Their diversity in time and space. Kluwer Acad. Publ. Dordrecht.