Eine vor fast zwei Jahren im Wasseraufbereitungssystem von Toledo getestete fortschrittliche Technologie könnte sich bei den Bemühungen, das Wasser zu schützen, das weit über den Nordwesten Ohios hinaus aus den Wasserhähnen fließt, als wertvoll erweisen, wie aus einer von der University of Toledo veröffentlichten Studie hervorgeht.
Wissenschaftler der UToledo installierten 2022 an der Pumpstation Toledo im Osten des Lucas County einen Echtzeit-Algensensor als Teil einer umfassenderen Initiative zur Früherkennung und Bekämpfung schädlicher Algenblüten, die vom US Army Corps of Engineers gefördert wird. Mit der Installation wurde die Anlage als erste im Land bekannt, die die fluoreszenzbasierte Technologie testete, die ein Pigment erkennt, von dem Wissenschaftler glaubten, dass es die Freisetzung von Toxinen aus blaugrünen Algenzellen anzeigen könnte.
In der Forschung veröffentlicht vor kurzem in Wissenschaft der gesamten UmweltIhre Analyse der resultierenden Daten bestätigt, dass die Technologie wie beabsichtigt funktioniert.
„Das Gerät kann die Zelllyse von Blaualgen in Echtzeit erkennen und so frühzeitig vor potenziell erhöhten Konzentrationen des Microcystin-Toxins im Rohwasser warnen“, sagte Dr. Kuo-Pei Tsai, Hauptautor des Artikels und Postdoktorand am UToledo Lake Erie Center. „Das bedeutet, dass das Personal der Wasseraufbereitungsanlage sofort Vorkehrungen treffen könnte, wenn es zu einer weiteren Katastrophe wie 2014 kommt.“
Wissenschaftler verfügen heute über ausreichende Mittel, um schädliche Algenblüten zu erkennen und zu überwachen. Im Eriesee werden sie durch Cyanobakterien, auch Blaualgen genannt, verursacht. Schädliche Algenblüten stehen seit der Wasserkrise in Toledo, bei der 2014 eine halbe Million Einwohner drei Tage lang ohne sauberes Leitungswasser waren, im Fokus besonders intensiver Forschung.
Erschwerend kommt für die Betreiber von Wasserwerken jedoch hinzu, dass schädliche Algenblüten nicht immer gleich schädlich sind. In den meisten Fällen können intakte Cyanobakterienzellen zusammen mit ihren Giftstoffen problemlos aus dem einströmenden Wasser gefiltert werden. Wenn die Zellen jedoch zu zerfallen beginnen, werden ihre Giftstoffe ins Wasser freigesetzt, sodass die Betreiber chemische Behandlungen anwenden müssen, um die Giftstoffe zu absorbieren oder zu zerstören.
Der Abbauprozess wird Lyse genannt. Er kann durch Ausbrüche natürlich vorkommender Viren in der Umwelt, sogenannter Cyanophagen, verursacht werden, wie es Wissenschaftlern zufolge während der Wasserkrise 2014 geschah, oder durch den Einsatz von Algiziden oder Chemikalien zur Wasseraufbereitung. Wenn Cyanophagen eine Pilzblüte angreifen, können innerhalb weniger Stunden große Mengen Gift freigesetzt werden.
Bisher haben sich die Betreiber von Wasseraufbereitungsanlagen auf relativ langsame und teure Tests verlassen, um sowohl die zellgebundenen als auch die freien Toxinwerte im Wasser direkt zu überwachen. Das Gerät PhycoSens, das von der deutschen Firma bbe Moldaenke hergestellt und in der Pumpstation des UToledo Lake Erie Center installiert wurde, ergänzt diese Tests, ersetzt sie aber nicht, indem es in Echtzeit ein Nebenprodukt der Cyanobakterienlyse erkennt: ein Pigment namens ungebundenes Phycocyanin.
Die Wissenschaftler vermuteten, dass der Nachweis des Pigments ein Hinweis dafür sei, dass die Zellmembranen der Cyanobakterien zerfallen und möglicherweise Microcystin freisetzen. Zudem würden die Berichte des Instruments über die während der schädlichen Algenblüte alle Viertelstunde entnommenen Wasserproben die Betreiber alarmieren, sofort einzugreifen.
„Mithilfe des Instruments können die Betreiber von Wasseraufbereitungsanlagen erkennen, wann sich der Zustand einer schädlichen Algenblüte in ihrem Quellwasser schnell ändert, und entsprechend reagieren“, sagte Dr. Thomas Bridgeman, Professor für Ökologie und Direktor des UToledo Lake Erie Center sowie leitender Autor des Forschungsartikels.
„Ohne Echtzeitdaten dieser Art besteht der konservative Ansatz möglicherweise darin, Wasser zur Gewährleistung der Sicherheit übermäßig mit Chemikalien zu behandeln, was zusätzliche Kosten verursacht und den Geschmack des Wassers beeinträchtigen kann. Mithilfe dieser Technologie können die Betreiber von Kläranlagen ihre Maßnahmen besser an die Schwere der Situation anpassen. So können sie Geld sparen, den Geschmack verbessern und gleichzeitig ein hohes Maß an Sicherheit gewährleisten.“
Phyco-Sens entnahm zwischen Mitte Juli und Mitte Oktober 2022 Proben und bot den Forschern damit einen riesigen Datenbestand zur Analyse. Zusätzliche Laborstudien mit Cyanobakterien, Behandlungschemikalien und Cyanophagen halfen ihnen, zu dem Schluss zu gelangen, dass das Vorhandensein von ungebundenem Phycocyanin tatsächlich ein nützlicher Indikator für den Beginn der Cyanobakterienzelllyse und damit für die mögliche Freisetzung von Microcystin ist.
Dr. Youngwoo Seo, Professor im Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwesen sowie Chemieingenieurwesen, leitet das dreijährige Projekt, das 2021 begann. Dr. Dae-Wook Kang, Assistenzprofessor im gleichen Fachbereich, kommt als Co-Ermittler zu Bridgeman.
Die Forscher und ihre Mitarbeiter arbeiten mit städtischen Trinkwasseraufbereitungsanlagen in Bowling Green, Celina und Oregon sowie in Toledo zusammen, wo der Phyco-Sens dieses Jahr erneut eingesetzt wird und bereits im Vorfeld der schädlichen Algenblüte Proben nimmt.
Mehr Informationen:
Kuo-Pei Tsai et al., Feld- und Laborstudien zu fluoreszenzbasierten Technologien zur Echtzeitverfolgung der Cyanobakterienzelllyse und der potenziellen Freisetzung von Microcystinen, Wissenschaft der Gesamtumwelt (2024). DOI: 10.1016/j.scitotenv.2024.171121