Modelle sagen voraus, dass geplante Phosphorreduktionen den Eriesee giftiger machen werden

Laut einer neuen Modellstudie ist die Reduzierung des Nährstoffgehalts Phosphor zur Bekämpfung schädlicher Algenblüten an Orten wie dem Eriesee tatsächlich vorteilhaft für toxische Cyanobakterienstämme, die zu einer Zunahme von Toxinen im Wasser führen können.

Forscher der Technischen Universität Berlin (TU Berlin) erläutern ihre Ergebnisse in einem Artikel, der am 26. Mai online in der interdisziplinären Zeitschrift veröffentlicht wurde Wissenschaft. Unter den Co-Autoren sind zwei Wissenschaftler der University of Michigan.

„Der große Fortschritt hier war, unser Verständnis der Mikrobiologie der Blüten in Vorhersagemodelle zu integrieren“, sagte der UM-Umweltmikrobiologe und Co-Autor der Studie, Gregory Dick. „Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass biologisch informierte Modelle in der Lage sind, emergente Eigenschaften von Blüten zu reproduzieren, die von traditionellen Modellen nicht vorhergesagt werden.“

Cyanobakterien, auch als Blaualgen bekannt, können Giftstoffe produzieren und Seen Sauerstoff entziehen, wenn sie sterben. Phosphor ist ein wichtiger Nährstoff für diese Algen, und es werden weltweit Anstrengungen unternommen, um den Phosphorgehalt zu senken und das Wachstum von Cyanobakterien zu hemmen.

Wenn jedoch die Gesamtzahl der Cyanobakterien abnimmt, steht den verbleibenden Cyanobakterien mehr von einem anderen wichtigen Nährstoff zur Verfügung: Stickstoff. Und höhere Stickstoffkonzentrationen helfen bestimmten Cyanobakterien, ein Gift zu produzieren, das sie vor Oxidationsschäden schützt.

Mit einem agentenbasierten Modell simulierten die Forscher, wie sich Cyanobakterien im Eriesee verhalten. Sie fordern ein Umdenken in der Wasserwirtschaft und einen Ansatz, der nicht nur die Phosphor-, sondern auch die Stickstoffbelastung in Gewässern reduziert.

Cyanobakterien können sowohl für Haustiere als auch für Menschen gefährlich sein. Im August 2014 waren fast eine halbe Million Menschen in der Region Toledo aufgrund von kontaminiertem Trinkwasser fast drei Tage lang ohne Leitungswasser. Eine Blaualgenart, Microcystis, hatte im Eriesee besonders hohe Konzentrationen des Lebergifts Microcystin (MC) produziert.

„Während Microcystin ein starkes Gift für Menschen und Tiere ist, ist es für Cyanobakterien sehr vorteilhaft“, sagte Ferdi Hellweger, Inhaber des Lehrstuhls für Wasserqualitätstechnik am Institut für Umwelttechnik der TU Berlin und Hauptautor des Science-Papiers.

Microcystin kann bestimmte Stellen an den für Lebensvorgänge in den Bakterien wichtigen Enzymen besetzen. Dabei schirmt es die Bakterien vor aggressivem Wasserstoffperoxid ab, das sonst diese Bindungsstellen angreifen, die Enzyme oxidieren und unbrauchbar machen könnte.

„Wasserstoffperoxid kommt überall in der Natur vor, auch als Nebenprodukt der Photosynthese“, sagt Hellweger. Daher ist die Produktion von Microcystin ein wichtiger Schutzmechanismus für die Bakterien. Es gibt jedoch einige Bakterienstämme, die viel Microcystin produzieren, und andere, die sehr wenig oder gar keins produzieren.

„Genau diese Diversität unter den Bakterienstämmen ist für das Phänomen verantwortlich, dass eine Verringerung des Phosphors zu einer Erhöhung der MC-Produktion führen kann“, sagt Hellweger.

Da Phosphor ein Nährstoff ist, der den Bakterien in der Natur nur begrenzt zur Verfügung steht, konzentrierten sich die Bemühungen bisher darauf, den Einsatz von Phosphaten als Düngemittel in der Landwirtschaft einzuschränken und den Phosphorgehalt von Abwässern durch eine Tertiärreinigung zu reduzieren Abwasser, um das Wachstum von Blaualgen zu verlangsamen, auch in größeren Gewässern wie dem Eriesee.

Die USA und Kanada haben sich verpflichtet, die Phosphormenge, die in den Eriesee gelangt, um 40 % zu reduzieren.

„Weniger Phosphor im Wasser reduziert die Anzahl der Blaualgen und damit auch den Schadstoffgehalt. Das war allgemein die Faustregel für die Wasserwirtschaft“, sagt Hellweger. Die tatsächlichen natürlichen Prozesse seien jedoch komplexer, sagte er.

„Weniger Blaualgen bedeutet, dass sie auch weniger um die anderen Nährstoffe konkurrieren müssen, deren wichtigster Stickstoff ist. Und auch Stickstoff ist, ähnlich wie Phosphor, nur begrenzt verfügbar wichtiges Element des MC-Moleküls“, sagte Hellweger.

Mit anderen Worten: Jene Bakterienstämme, die Microcystin in beträchtlichen Mengen produzieren, können dies jetzt leichter tun, weil Microcystin sie auch vor dem schädlichen Wasserstoffperoxid schützt.

„Diese Studie unterstützt die Idee, dass die Phosphorreduktion die Gesamthäufigkeit von Cyanobakterien erfolgreich reduzieren wird, was mit den Zielen der aktuellen Politik übereinstimmt“, sagte Dick von UM, Professor am Department of Earth and Environmental Sciences und Direktor des Cooperative Institute for Great Lakes Forschung in der School for Environment and Sustainability.

„Es deutet jedoch auch darauf hin, dass die Reduzierung von Phosphor zu einer Zunahme der Häufigkeit der Untergruppe von Cyanobakterien führen wird, die in der Lage sind, Toxine zu produzieren, was insgesamt zu mehr Toxinen führt“, sagte Dick.

Der andere UM-Co-Autor ist Derek Smith, der am Department of Earth and Environmental Sciences der UM promoviert hat und Postdoktorand in Dicks Labor war. UM-Forscher führten Feldmessungen an der Trinkwasseraufnahme von Toledo im Eriesee durch und verwendeten dann umweltgenomische Techniken, um den Anteil der Toxin-produzierenden und nicht-Toxin-produzierenden Microcystis-Zellen in den Blüten des Eriesees zu quantifizieren.

„Frühere Experimente haben gezeigt, dass das Management schädlicher Cyanobakterienblüten eine Reduzierung sowohl der Phosphor- als auch der Stickstoffverschmutzung in Seen erfordert. Jetzt legt ein Modell, das auf dem aktuellen Wissen über die Biologie toxischer Cyanobakterien basiert, dasselbe nahe“, sagte Smith.

„Die Reduzierung der Phosphorzufuhr allein reicht möglicherweise nicht aus, um schädliche Cyanobakterienblüten zu bewältigen“, sagte er.

In der neuen Modellierungsstudie verwendeten die Forscher erstmals eine agentenbasierte Simulation, um das Verhalten dieser Blaualge zu veranschaulichen. Jede Blaualge wird im Computer als Individuum dargestellt und verhält sich je nach angenommener Lebensgeschichte leicht unterschiedlich.

Beispielsweise wird eine Blaualge, die häufig an der Wasseroberfläche war, dem Sonnenlicht und damit Wasserstoffperoxid besonders stark ausgesetzt gewesen sein. Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass das Unternehmen seine Microcystin-Produktionskapazitäten voll auslasten wird.

Sonnenlicht kann auch das Gen aktivieren, das zur Produktion von Microcystin benötigt wird. Dieser Mechanismus trägt dazu bei, dass weniger Biomasse zu mehr Giftstoffen führt, weil mehr Licht in größere Tiefen vordringen und die Produktion anregen kann.

Als Modellorganismus und Umgebung für ihre Simulation nutzten die Forscher die Blaualge Microcystis und den Eriesee. Um die dortigen Prozesse genau zu modellieren, führten sie eine umfangreiche Literaturrecherche durch und werteten 103 Studien mit 708 Experimenten aus, die bis ins Jahr 1958 zurückreichen.

Wissenschaftler der University of Tennessee in Knoxville führten auch eigene Laborexperimente durch, um beim Bau des Modells zu helfen.