Mit besseren Algenvorhersagen kommt sichereres Wasser

Wissenschaftler und Mitarbeiter des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) haben eine neue Technik verwendet, um die Menge an Algentoxinen, die sich jedes Jahr im Lake Erie ansammeln, besser vorherzusagen.

Schädliche Algenblüten (HABs) sind globale Phänomene und werden in Süßwasserseen und Stauseen durch Cyanobakterien der Gattung Microcystis verursacht, die Microcystine produzieren, eine Reihe aminosäureähnlicher Toxine, die für Wildtiere und Menschen schädlich sind. Das Verständnis der Umwelttreiber, die die Microcystin-Konzentrationen beeinflussen, und die Entwicklung von Prognosefähigkeiten sind entscheidend, um die Gesundheit von Mensch und Umwelt zu schützen und letztendlich zukünftige HABs zu verhindern.

Das Team verwendete die Isotopenmarkierung der Cyanotoxine, um ihren Abbau im Eriesee zu untersuchen. Mit dem NanoSIMS-Instrument von LLNL bestätigten sie, dass eine kleine, aber hochaktive Komponente des Mikrobioms für den Abbau des Toxins verantwortlich war. Die Forschung erscheint in der Zeitschrift Limnologie und Ozeanographie.

Microcystine sind ein starkes Lebergift und möglicherweise krebserzeugend für den Menschen. Cyanotoxine können auch Vieh und Haustiere töten, die betroffenes Wasser trinken. Fisch- und Vogelsterben wurden auch in Gewässern mit anhaltenden Cyanobakterienblüten gemeldet. Diese Blüten bilden sich, wenn sich Cyanobakterien, die normalerweise im Wasser vorkommen, sehr schnell zu vermehren beginnen. Blüten können sich in warmen, langsam fließenden Gewässern bilden, die reich an Nährstoffen aus Quellen wie Düngerabfluss oder Überläufen von Klärgruben sind.

Vorhersagen zur cyanobakteriellen Biomasse im Eriesee – der eine Geschichte von cyanobakteriellen HABs hat – werden durch häufige Fernerkundungsdaten und Seewassermassenbewegungen ermöglicht. Eine der bekannteren Vorhersagen stammt von der NASA und der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), die Satellitenbilder des Lake Erie verwendet, um den Standort und die Biomasse von Cyanobakterien zwei bis vier Tage im Voraus vorherzusagen.

Obwohl die Biomasseprognosen Managern dabei geholfen haben, vorherzusagen, wann und wo sich die Cyanobakterienblüten befinden werden, können die Prognosen derzeit keine Microcystinkonzentrationen vorhersagen, da die Toxizität nicht immer mit der Biomasse korreliert. Erkenntnisse darüber, wie sich Microcystin-Produktion und -Abbau in einer Blüte räumlich und zeitlich verändern, könnten dazu beitragen, die Einschränkungen zu überwinden, die derzeit Prognosen zur Microcystin-Konzentration verhindern.

Bisher gab es keine früheren Studien, die die Microcystin-Produktion und den biologischen Abbau in einer natürlich vorkommenden Microcystis-dominierten Cyanobakterienblüte miteinander in Verbindung brachten. Die Ergebnisse der Studie belegen den mikrobiellen Abbau von Microcystin in situ. Die Verwendung der Isotopenmarkierung von Stickstoff-15 (15N), um das Schicksal eines Algentoxins in der Bakteriengemeinschaft zu verfolgen, war noch nie zuvor durchgeführt worden; Ein wichtiges Ergebnis war, dass der Abbau auf eine kleine Untergruppe der mikrobiellen Gemeinschaft des Eriesees beschränkt zu sein scheint.

„Die hohe räumliche Auflösung des NanoSIMS ermöglichte es uns zu identifizieren, dass das isotopenmarkierte Toxin in die Biomasse eines kleinen Teils der in der Blüte lebenden mikrobiellen Population eingebaut wurde und nicht in die Cyanobakterienzellen, die es freigesetzt hatten, etwas, das dies könnte kann mit keiner anderen Nachweismethode erreicht werden“, sagte der LLNL-Wissenschaftler Xavier Mayali, ein Mitautor der Studie.

„Die Ergebnisse unserer Studie liefern nicht nur neue Einblicke in die Dynamik von Cyanotoxinen in der Natur, sondern weisen auch auf eine potenzielle neue Richtung für die Cyanotoxinbehandlung mit spezialisierten Toxin abbauenden Bakterien hin“, sagte LLNL-Postdoktorand Wei Li, ein weiterer Co-Autor der Papier.

Das Team quantifizierte auch die Microcystin-Produktionsraten. „Wir haben festgestellt, dass die HABs zu Beginn der Blüte am schnellsten Microcystine produzieren, und die hohen Produktionsraten in der frühen Blüte stimmen mit den höchsten Microcystin-Konzentrationen im Eriesee überein. Während der späten Blüte haben wir niedrige Produktionsraten gemessen und niedrige Konzentrationen im See“, sagte Justin Chaffin von der Ohio State University, der Hauptautor der Studie.

Co-Autor Thomas Bridgeman vom Lake Erie Center der University of Toledo sagte: „Wir messen seit vielen Jahren die Microcystin-Konzentrationen im Lake Erie, aber diese Studie ist die erste, die zeigt, dass die Toxinwerte, die wir an einem bestimmten Tag messen, genau so hoch sind das Nettoergebnis konkurrierender Microcystin-Produktions- und -Abbauprozesse, die zeitlich und räumlich variieren. Es ist ein großer Schritt in Richtung der Entwicklung von Modellen, die Microcystin-Prognosen zum Nutzen von Wasseraufbereitungsanlagen und Freizeitnutzern des Lake Erie erstellen können.“

Der LLNL-Wissenschaftler Peter Weber, Hauptforscher der NanoSIMS-Einrichtung, war ebenfalls Teil des Teams. Weitere Institutionen sind die Ohio State University, die Wayne State University, die Bowling Green State University und die University of Toledo.