Hinter einer schädlichen Algenblüte steckt mehr als nur das grüne Zeug im Wasser, das man auf den ersten Blick sieht – insbesondere ein wechselndes Gefährdungsniveau an Giftstoffen, die von den Mikroben produziert werden, aus denen die Schaummasse besteht.
Eine neue Studie zur Analyse der von Microcystis produzierten Toxine, der Hauptart von Cyanobakterien, aus denen die jährliche schädliche Algenblüte (HAB) im Eriesee besteht, legt nahe, dass die Toxizität der Blüte in den frühen warmen Monaten möglicherweise überschätzt und später im Sommer unterschätzt wird.
Die Forschung ist Teil eines großen Projekts unter der Leitung der Ohio State University, das darauf abzielt, eine genauere Vorhersage der schädlichen Algenblütentoxizität für den Eriesee zu entwickeln.
Die Toxizität hängt mit der Konzentration des Lebertoxins Microcystin in der Blüte zusammen, von dem es Hunderte von Sorten gibt, die als Kongenere bezeichnet werden und sich durch sehr kleine molekulare Unterschiede auszeichnen. Die Analyse zeigte, dass der Toxizitätsgrad der am häufigsten im Eriesee gefundenen Kongenere stark mit Stickstoff zusammenhängt – wenn in den frühen warmen Monaten mehr Stickstoff vorhanden ist, sind die dominanten Kongenere tendenziell weniger toxisch. Später in der Saison, wenn der Stickstoff fast aufgebraucht ist, ändert sich das Gleichgewicht der dominanten Kongenere hin zu einem toxischeren Typ.
„Die unterschiedlichen Konzentrationen der Toxine wirken sich letztendlich auf die Toxizität und die Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit aus. Wir wissen, dass verschiedene Bevölkerungsgruppen empfindlicher auf die Toxine reagieren, insbesondere diejenigen, die an einer nichtalkoholischen Fettlebererkrankung leiden“, sagte Justin Chaffin, leitender Forscher und Forschungskoordinator am Stone Laboratory des Ohio State und Hauptautor der Studie. „Zu wissen, welche Kongenere es gibt, kann das Strandmanagement besser informieren, die Wasseraufbereitung besser informieren und diejenigen, die das Wasser meiden müssen, besser darüber informieren, wann sie es meiden sollten.“
Die Forschung wurde kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht Schädliche Algen.
Der Eriesee versorgt schätzungsweise 11 Millionen Menschen in den Vereinigten Staaten und Kanada mit Trinkwasser, und das von Chaffin geleitete Projekt zielt darauf ab, Toxizitätsprognosen zu entwickeln, die Betreiber von Wasseraufbereitungsanlagen bestmöglich auf die Entfernung von Microcystin vorbereiten. Eine hohe Konzentration des Toxins überschwemmte 2014 eine Wasseraufbereitungsanlage am Eriesee, was zu einer dreitägigen Trinkwasserkrise in Toledo führte.
Allerdings sind nicht alle Microcystin-Kongenere hinsichtlich der Toxizität gleich. Das am häufigsten vorkommende und am besten untersuchte Kongener im Eriesee, bekannt als MC-LR, liegt in neueren Untersuchungen hinsichtlich der Toxizität irgendwo im Mittelfeld im Vergleich zu anderen Kongeneren in der Blüte des Sees. In dieser Studie wollten Chaffin und Kollegen den Standort und die Häufigkeit dieser verschiedenen Kongenere bestimmen, um die Toxizitätstrends während der geschäftigen Sommersaison besser in den Griff zu bekommen.
Das Team sammelte von Juni bis September in den Jahren 2018 und 2019 Proben an 15 Standorten, die sich von der Maumee Bay bis zum Central Basin erstreckten, und konzentrierte sich dabei auf die Ermittlung der Konzentration spezifischer Microcystin-Kongenere im Laufe der Zeit und der sich ändernden Nährstoffgehalte im Wasser.
Neben dem häufig vorkommenden MC-LR-Kongener wurde festgestellt, dass zwei weitere Kongenere die Microcystin-Populationen dominieren: MC-RR, dessen Toxizität etwa ein Fünftel der MC-LR beträgt, und MC-LA, dessen Toxizität auf etwa das Zweieinhalbfache geschätzt wird giftiger als MC-LR.
MC-RR, das 17,5 % Stickstoff enthält, war zu Beginn der Saison dominanter, als das Wasser stickstoffreich war, und MC-LA, das 10,8 % Stickstoff enthält, dominierte später in der Saison, als der Stickstoffgehalt deutlich gesunken war – Allerdings war zu diesem Zeitpunkt auch die Gesamtkonzentration von Microcystin niedriger, was bedeutet, dass die Gesamttoxizität möglicherweise nicht dramatisch zugenommen hat.
Der Nachweis von Kongeneren ist nicht einfach – er erfordert hochentwickelte Ausrüstung und ist teurer als das Analysetool ELISA, das routinemäßig zur Messung von Microcystinen in der Blüte verwendet wird – weshalb die aktuellen Toxizitätsschätzungen wahrscheinlich falsch sind, sagte Chaffin.
„Da der ELISA die Gesamtkonzentration misst, überschätzen Sie im Grunde die Toxizität im Frühsommer, wenn die Mehrzahl der Microcystine eine Form mit geringer Toxizität aufweist, und im weiteren Verlauf des Sommers entstehen in der Blüte immer mehr toxische Formen, sodass Sie die Toxizität möglicherweise unterschätzen.“ ,“ er sagte.
Eine Investition in die routinemäßige Erfassung von Kongenerdaten könnte die Modellierungsbemühungen verbessern, um vorherzusagen, wie sich die Toxizität des HAB im Eriesee jedes Jahr ändert.
Chaffin war Co-Autor eines weiteren Kürzlich durchgeführte Studie Das zeigte, dass die Verwendung von Daten zu Toxinkonzentrationen (aus vorhandenen ELISA-Messungen, die Kongenere nicht berücksichtigen), Wasserströmungen und dem Anstieg der Toxinproduktion einer Blüte in einer einwöchigen wetterkartenähnlichen Simulation die Genauigkeit der Microcystin-Vorhersage um 79 % verbesserte. .
„Wir haben alle Daten, die wir finden konnten, in ein hydrodynamisches Modell eingefügt und es in Simulationen laufen lassen“, sagte Chaffin. „Wenn Sie also wissen, wo sich die Giftstoffe heute befinden, und eine Karte der Blüte wie eine Wetterkarte erstellen, können Sie beobachten, wohin sie in den nächsten sieben Tagen gehen wird. Und wenn Sie der Simulation biologische Daten hinzufügen, können Sie eine …“ bessere Vorhersage, wo die höchsten Toxinkonzentrationen sein werden.“
„Der nächste Schritt wäre, den Standort der Blüte und die Vorhersage der Toxinkonzentration mit verschiedenen Kongeneren zusammenzuführen, damit wir die Toxizität der Blüte wirklich vorhersagen können. Um dies zu ermöglichen, müssten jedoch die Laborkapazitäten verbessert werden.“
Mehr Informationen:
Justin D. Chaffin et al., Microcystin-Kongenere im Eriesee folgen dem saisonalen Muster der Stickstoffverfügbarkeit, Schädliche Algen (2023). DOI: 10.1016/j.hal.2023.102466