Forscher entwickeln neuartige Technik zum Aufspüren giftiger Algenblüten

Forscher der Oregon State University haben eine neue Methode zur Überwachung der mit Algenblüten verbundenen Gefahr entwickelt: Sie „schnüffeln“ im Wasser nach Gasen, die mit Giftstoffen in Verbindung stehen.

Die Wissenschaftler fanden heraus, dass bestimmte Kombinationen flüchtiger organischer Verbindungen (VOCs), die von Algen freigesetzt werden, als Indikator für Microcystin dienen können, ein Toxin, das in unterschiedlichen Mengen während der Blüte von Cyanobakterien, allgemein bekannt als Blaualgen, produziert wird.

Verschiedene Cyanobakterienarten produzieren unterschiedliche Toxine, sagte Kimberly Halsey von der OSU, die die Studie leitete. Die meisten von ihnen verursachen Magen-Darm-Erkrankungen und akute Hautausschläge und können tödlich sein. Im Jahr 2017 starben mehr als 30 Rinder, nachdem sie verunreinigtes Wasser im Junipers Reservoir in der Nähe von Lakeview, Oregon, getrunken hatten, und Blüten stellen insbesondere eine Bedrohung für Hunde dar, die in betroffene Seen eindringen.

Obwohl sich die Forschung nur mit einem See und einem Toxin befasste, zeigt die Forschung das Potenzial von VOCs bei der Überwachung kritischer Wasserstraßen, sagte Halsey, außerordentlicher Professor für Mikrobiologie am College of Science.

Sie sagte, die Studie sei heute veröffentlicht worden mSystems beschreibt „einen sehr kreativen neuen Ansatz, der besser und kostengünstiger als aktuelle Überwachungsmethoden ist und auch umfassendere Auswirkungen hat.“

„Diese Arbeit legt nahe, dass VOCs verwendet werden könnten, um andere wichtige Umweltveränderungen anzuzeigen, wie den Beginn von Sauerstoffmangel in Wassersystemen oder Domonsäure-Kontamination in Küstenökosystemen“, sagte Halsey.

Weitere Forschungen, darunter Kooperationen mit der Stadt Salem und Eugene Water and Electric Board, werden untersuchen, ob die gasförmigen Moleküle verwendet werden können, um den Beginn und das Ende der Toxizität innerhalb eines Blüteereignisses vorherzusagen.

VOCs sind kohlenstoffhaltige Chemikalien, die häufig in gasförmigem Zustand vorliegen. Von Cyanobakterien freigesetzte flüchtige organische Verbindungen (VOCs) scheinen den physiologischen Status der Algen während der toxischen Blüte aufzuzeigen, sagte Halsey.

„Ein Grund dafür, dass VOCs so gute Ziele für die Überwachung sein könnten, ist ihre Volatilität“, sagte sie. „Idealerweise können wir eines Tages mit Instrumenten die Luft über dem See schnüffeln und sehen, welche Gase während der Blüte von Cyanobakterien vorhanden sind.“

Cyanobakterien sind mikroskopisch kleine Organismen, die in allen Arten von Wasser auf der ganzen Welt allgegenwärtig sind. Sie nutzen das Sonnenlicht, um ihre eigene Nahrung zuzubereiten, und können sich in warmen, nährstoffreichen Umgebungen schnell vermehren, was zu Blüten führt, die sich über die Wasseroberfläche ausbreiten.

Diese schädlichen Algenblüten, oft auch als HABs abgekürzt, können sich zu jeder Jahreszeit bilden, am häufigsten treten sie jedoch zwischen Frühling und Herbst auf.

Eine HAB im Jahr 2018 verunreinigte das Trinkwasser in Salem, der Hauptstadt Oregons, und im Jahr 2007 ergab eine landesweite Untersuchung der US-Umweltschutzbehörde Microcystin, ein anerkanntes Lebergift und potenzielles Leberkarzinogen, in einem von drei beprobten Seen.

Die jährlichen wirtschaftlichen Verluste, die allein in den Vereinigten Staaten auf cyanobakterielle HABs zurückzuführen sind, werden konservativ auf 2 bis 4 Milliarden US-Dollar geschätzt, sagen die Forscher, die hinzufügen, dass die Schwere und Folgen der Blüten durch den Klimawandel wahrscheinlich noch verschärft werden.

„Das bedeutet, dass wir eine neue und innovative Überwachung für Cyanobakterien und ihre Toxine brauchen“, sagte Halsey. „Es ist sehr teuer, Giftstoffe direkt zu messen, insbesondere wenn eine Wasserstraße einen ganzen Sommer lang wöchentlich beprobt und getestet werden muss.“

Halsey, Mikrobiologie-Doktorandin Lindsay Collart und außerordentlicher Statistikprofessor Duo Jiang arbeiteten zwei Jahre lang mit Wasserproben von acht Standorten am und in der Nähe des Upper Klamath Lake im Süden Oregons.

Der See sei wichtig für Landwirtschaft und Erholung, für den Lebensunterhalt und die Kultur der Stämme sowie für Fische und Wildtiere, bemerkt Halsey, aber seine Wasserqualität habe sich in den letzten 50 Jahren aufgrund intensiver Landwirtschaft und Dürre verschlechtert.

Der Upper Klamath Lake ist einer von vielen Seen in Oregon, die jedes Jahr von Cyanobakterien-HABs betroffen sind, aber nicht alle Blüten führen zu toxischen Mengen an Microcystin, und der Beginn und das Ausmaß der Toxinproduktion waren weitgehend unvorhersehbar.

„Die Algenzellen produzieren immer ein wenig Microcystin, und es erfüllt in der Zelle einen guten Zweck – es hilft, Stress zu bekämpfen“, sagte Halsey. „Aber die Zellen können einen Wendepunkt erreichen, an dem sie übermäßig auf Microcystin angewiesen sind und dann die Konzentration im Wasser toxisch wird.“

Durch die Analyse der gelösten Gase in den Wasserproben – insgesamt 227 VOCs – konnten die Wissenschaftler Teilmengen davon bestimmen, die mit unterschiedlichen Microcystin-Gehalten im Wasser verbunden waren. Laut Halsey kann die statistische Analyse der VOC-Untergruppen die Toxinwerte besser vorhersagen als derzeit verwendete Techniken wie die Beurteilung der Wasserfarbe und die Messung der Zellzahl.

„Da wir nun wissen, dass diese speziellen Untergruppen von Verbindungen Prädiktoren für die Toxizität sind, müssen wir diese vielleicht nur noch messen“, sagte sie.

Obwohl sich die Studie nur mit einem See und einem Toxin befasste, zeige die Untersuchung das Potenzial von VOCs bei der Überwachung kritischer Wasserstraßen, sagte Halsey. Weitere Forschungen, darunter Kooperationen mit der Stadt Salem und Eugene Water and Electric Board, werden untersuchen, ob die gasförmigen Moleküle verwendet werden können, um den Beginn und das Ende der Toxizität innerhalb eines Blüteereignisses vorherzusagen.

Halsey sagte, die Studie habe auch gezeigt, dass VOCs verwendet werden können, um ein allgemeines Bild der Zusammensetzung der Gemeinschaft zu zeichnen – also der relativen Häufigkeit von Cyanobakterien im Vergleich zu anderen Mikroben im System – was sie als potenziell „ein weiteres Teil des Vorhersagepuzzles“ bezeichnet.