Der Höhepunkt der Blaualgenblüte rückt näher, hören Sie also auf, dem Wasser wahllos Nährstoffe zuzuführen!

Der Sommer naht und damit auch die Blütezeit der Blaualgen in den flachen Binnenseen. Denken Sie nicht, dass dieses Ding nicht so heftig ist wie Erdbeben und Tsunamis oder so furchterregend wie Giftschlangen und Bestien. Es kann sehr schädlich sein!

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Was ist eine Algenblüte ? Was ist eine Cyanobakterienblüte?

Unter Algenblüte, auch als „Indigosee“ bekannt, versteht man das Phänomen großflächiger Algen- und Cyanobakterienblüten, die aufgrund von Eutrophierung eine Verfärbung des Wassers verursachen . Der globale Klimawandel verschärft das Problem. Algenblüten werden hauptsächlich durch die massive Vermehrung von Algen, Kieselalgen und anderen Algen sowie Cyanobakterien in Süßwasser- oder Meeresumgebungen verursacht [1][2]. Die am weitesten verbreitete Form ist die Cyanobakterienblüte. Obwohl sie „Cyanobakterien“ genannt werden, gibt es Cyanobakterien tatsächlich in einer Vielzahl von Farben, darunter Grün, Gelb, Braun, Rot und sogar Rosa [2].

Das linke und das rechte Bild zeigen Blaualgenblüten, die in zwei verschiedenen Regionen auftreten. Das linke Bild wurde in Kenia und das rechte Bild am Taihu-See in China aufgenommen. (Bildquelle: [2])

Cyanobakterienblüten werden häufig durch Ausbrüche der folgenden Cyanobakterien verursacht: Dolichospermum, Planktothrix, Microcystis, Cylindrospermopsis, Nodularia und Trichodesmium.

A. Longispora b. Hyphen c. Microcystis d. Pseudocyprodinium e. Nodularia f. Trichoderma (Bildquelle: [2])

In eutrophen Gewässern äußern sich Cyanobakterienblüten meist dadurch, dass sich Cyanobakterien in kurzer Zeit massenhaft vermehren und einen „schwimmenden Film“ auf der Wasseroberfläche bilden. Dieses Phänomen wird sich zyklisch wiederholen, bis die Eutrophierung der Gewässer wirksam kontrolliert wird. Der schnelle Ausbruch von Cyanobakterienblüten wird hauptsächlich durch zwei Arten erreicht: vegetative Vermehrung und Sporenvermehrung . Cyanobakterien verfügen jedoch auch über andere Fortpflanzungsarten, beispielsweise die parasexuelle Fortpflanzung [1].

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Der Mechanismus der Cyanobakterienblüte

Unter Eutrophierung von Gewässern versteht man das Phänomen der Nährstoffanreicherung in Gewässern durch die Anwendung von Phosphordüngern, Stickstoffdüngern usw. und gilt als Hauptursache für Algenblüten (d. h. die massive Vermehrung von Algen oder Cyanobakterien). Es ist zu beachten, dass die Anreicherung von Nährstoffen kumulativ ist, sodass ihre Auswirkungen bei der Umweltüberwachung möglicherweise unterschätzt werden [3].

Neben den Nährstoffen als dominierendem Faktor werden auch Temperatur, Ozeanversauerung, biologische Wechselwirkungen (wie z. B. Weideverhalten von Zooplankton), Wasserdynamik usw. als wichtige ökologische und biologische Faktoren angesehen, die das Auftreten von Algenblüten beeinflussen [4][5][6]. Um die Entstehung von Algenblüten und ihre Auswirkungen auf Ökosysteme umfassend zu untersuchen und zu überwachen, ist es zudem notwendig, Veränderungen auf jeder trophischen Ebene und die Entwicklung des gesamten Ökosystems über einen langen Zeitraum zu verfolgen [3].

Basierend auf der Erforschung der Faktoren, die den Ausbruch von Cyanobakterienblüten beeinflussen, haben Wissenschaftler eine Reihe von Hypothesen zu deren Entstehungsmechanismus vorgeschlagen und entsprechende Überprüfungen durchgeführt, wie etwa die Hypothese des Verhältnisses von Gesamtstickstoff zu Gesamtphosphor, die Hypothese des Anstiegs der Wassertemperatur, die Hypothese der Spurenelemente und die Hypothese der Weidehaltung von Zooplankton [1].

Unter ihnen wurden die Hypothese des Gesamtstickstoff-Gesamtphosphor-Verhältnisses und die Hypothese der geringen Lichtintensität ausführlich diskutiert und empirisch untersucht. Die erste Gruppe geht davon aus, dass bei einem Verhältnis von Gesamtstickstoff zu Gesamtphosphor im Wasser von etwa 15 die Algenvermehrung im Meer und im Süßwasser explosionsartig zunimmt . Dies wurde im Labor mit Aphanizomenon verifiziert [7]. Obwohl das geeignete Verhältnis bei verschiedenen Algen unterschiedlich ist, liegt es im Allgemeinen nicht über 29:1 [8]. Letztere gehen davon aus, dass Cyanobakterienzellen eine Vielzahl von Lichtsammelpigmenten enthalten und deshalb in unterschiedlichen Wassertiefen überleben können, eine hohe Wachstumseffizienz aufweisen und zur Bildung von Algenblüten neigen [9][10].

Frühere Studien haben ergeben, dass das Wachstum einiger Algen eher mit der Eutrophierung zusammenhängt, während andere stärker von steigenden Wassertemperaturen beeinflusst werden [11]. Daher bedarf es weiterer Forschung, um herauszufinden, ob die obige Hypothese nur auf bestimmte Gewässer oder bestimmte Cyanobakterienarten anwendbar ist oder ob der Ausbruch von Cyanobakterienblüten durch mehrere Mechanismen verursacht wird.

Entsprechend der Hypothese steigender Wassertemperaturen wurde weitgehend nachgewiesen, dass der Klimawandel die Fortpflanzung und das Überleben des Meereslebens, einschließlich des Phytoplanktons, beeinträchtigt. Mit anderen Worten: Der Klimawandel wird sehr wahrscheinlich zu einer Zunahme der Häufigkeit und Intensität von Algenblüten führen, insbesondere von schädlichen Algenblüten [2][12][13].

Verschmutzung durch Blaualgenblüten (Copyright-Bild aus der Bibliothek, Nachdruck kann zu Urheberrechtsstreitigkeiten führen)

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Der Schaden von Algenblüten

Cyanobakterienblüten setzen Giftstoffe frei und bilden giftige, schädliche Algenblüten (HABs), die nicht nur die normale Funktion des Ökosystems bedrohen, sondern auch die Wasserqualität beeinträchtigen (indem sie üble Gerüche aus dem Wasser abgeben) und die Fischerei beeinträchtigen (indem sie Wasserhypoxie verursachen und zu Massensterben von Fischen führen) und sich negativ auf die menschliche Gesundheit auswirken [2][14].

Obwohl Cyanobakterien Kohlendioxid aufnehmen und Sauerstoff freisetzen können, verbrauchen sie während des Abbauprozesses durch Mikroorganismen große Mengen Sauerstoff, was zum Tod von Fischen und benthischen Wirbellosen führen kann [15]. Darüber hinaus können die von Cyanobakterien synthetisierten zyklischen Peptid- und Alkaloidtoxine Schäden an der Leber, dem Verdauungssystem und dem Nervensystem von Vögeln und Säugetieren, einschließlich des Menschen, verursachen [16][17].

So ist beispielsweise der Taihu-See, der eine Fläche von etwa 2.400 Quadratkilometern umfasst, im Frühjahr oft vollständig von Blaualgenblüten bedeckt, was schwerwiegende negative Auswirkungen auf die Wasserqualität, die Fischerei und den Tourismus hat. Im Jahr 2007 bedrohte eine durch Microcystis verursachte giftige Algenblüte sogar die Trinkwassersicherheit der Einwohner von Wuxi [2]. Eine ähnliche Situation herrscht in den Großen Seen Nordamerikas, die seit langem von Algenblüten geplagt werden. Im Jahr 2014 bedrohte ein Ausbruch von Blaualgen die Trinkwassersicherheit der Bürger in Ohio, USA [18].

Die von winzigen Blaualgen verursachte Blüte ist äußerst schädlich. Gibt es eine gute Möglichkeit, es zu behandeln?

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Behandlungsmethoden für Blaualgenblüten

Es gibt viele Möglichkeiten, Algenblüten unter Kontrolle zu halten. Dazu gehören die Reduzierung des Eutrophierungsniveaus von Gewässern, der Einsatz hydrodynamischer und chemischer Methoden sowie die biologische Kontrolle. Diese Methoden haben sich bei der Bewirtschaftung einiger Seen als wirksam erwiesen, es gibt jedoch noch keine Garantie dafür, dass sie für die Bekämpfung aller Cyanobakterienblüten geeignet sind [2].

▶Reduzierung des Eutrophierungsgrads von Gewässern

Die Kontrolle der Nährstoffe, die aus der Quelle in das Gewässer gelangen, und die Verringerung des Eutrophierungsgrades des Gewässers werden allgemein als grundlegende Lösung für das Auftreten von Blaualgenblüten angesehen. Konkrete Maßnahmen sind beispielsweise das Verbot der Zugabe von Phosphaten zu Waschmitteln und die Reduzierung der Anwendung von Phosphatdüngern . Allerdings dauert es oft Jahre oder sogar Jahrzehnte, bis dieser Prozess Wirkung zeigt [19][20].

▶Hydrodynamische Methode

Bei der hydrodynamischen Methode wird der Wasserfluss künstlich erhöht, beispielsweise durch eine Erhöhung der Wassermenge, um den Auftriebsvorteil der auf Luftsäcken beruhenden Cyanobakterien zu zerstören, sodass ihre Position durch Grünalgen und Kieselalgen ersetzt wird, wodurch Algenblüten gelindert werden. Obwohl dieser Ansatz effektiv ist, ist er oft kostspielig [21].

▶Chemische Methode

Obwohl chemische Methoden Algenblüten schnell beseitigen können, ist ihre langfristige Wirksamkeit unwahrscheinlich. Zudem sind die meisten Chemikalien für andere Wasserorganismen toxisch, so dass sie im Allgemeinen nicht empfohlen werden [22].

▶Biologische Schädlingsbekämpfung

Obwohl eine biologische Schädlingsbekämpfung machbar erscheint, ist ihre praktische Anwendung mit zahlreichen Herausforderungen verbunden. Beispielsweise können Viren oder Pilze zwar Cyanobakterien schnell abtöten, es ist jedoch unwahrscheinlich, dass sie langfristige Auswirkungen haben [23][24][25]. Die Wirksamkeit von filtrierenden Weichtieren wie Muscheln bei der Kontrolle von Cyanobakterienblüten muss noch verifiziert werden [2][13]. Eine künstliche Regulierung der Struktur von Zooplankton und Fischpopulationen zur Unterdrückung von Algenblüten kann jedoch nur dann langfristige Effekte erzielen, wenn gleichzeitig der Eutrophierungsgrad des Gewässers reduziert wird oder die menschlichen Eingriffe fortgesetzt werden [26][27][28].

Zusammenfassung

In den zwanzig Jahren vom späten 20. bis zum frühen 21. Jahrhundert kam es in vielen Seen und Stauseen Chinas zu einer großflächigen Ausbreitung von Cyanobakterienblüten, einem Phänomen, das durch mehrere Faktoren wie die Eutrophierung von Gewässern und den Klimawandel verursacht wird. Obwohl dieser Transformationsprozess aquatischer Ökosysteme noch weiter untersucht werden muss, haben wir durch Felduntersuchungen und kontrollierte Experimente in Innenräumen nachgewiesen, dass übermäßige Stickstoff- und Phosphornährstoffe sowie hohe Umgebungstemperaturen die Hauptfaktoren sind, die die schnelle Vermehrung von Cyanobakterien bewirken [1].

Daher gilt die Kontrolle des Stickstoff- und Phosphorgehalts im Wasser als grundlegende Gegenmaßnahme zur Eindämmung von Cyanobakterienblüten. Bei großen und mittelgroßen Seen erfordert die Umsetzung dieser Strategie jedoch einen hohen Personal- und Materialaufwand und die Wirkungsdauer ist lang. Indem er die Forschungserfahrungen seiner Vorgänger aufnahm und die tatsächliche Situation Chinas mit traditionellem Fischereiwissen kombinierte, arbeitete der Forscher Xie Ping unermüdlich an der Umsetzung innovativer Verfahren und sammelte schließlich wertvolle Erfahrungen. Er schloss die Prävention und Kontrolle von Cyanobakterienblüten erfolgreich ab, erzielte einen entscheidenden Durchbruch bei der umfassenden Bekämpfung von Cyanobakterienblüten in China und verhinderte erfolgreich den Ausbruch von Cyanobakterienblüten im Wuhan-Ostsee innerhalb von 22 Jahren [29].

Dank der unermüdlichen Anstrengungen vieler wissenschaftlicher Forscher hat sich nach und nach eine praktikable und iterative Methodik für die komplexe Systemtechnik zur Reparatur und Wartung aquatischer Systeme herausgebildet. Durch die Kombination wissenschaftlich fundierter Governance-Konzepte, verstärkter Anstrengungen zur Kontrolle der Umweltverschmutzung im Inland, immer besserer Gesetze und Vorschriften sowie einer schrittweisen Verbesserung des Umweltbewusstseins der Bevölkerung werden schädliche Algenblüten und andere Probleme mit der Wasserqualität letztendlich gelöst werden.

Verweise

Autor: Li Weichi, Master of School of Life Sciences, Peking University

Gutachter: Zhong Jin, Forscher, Institut für Mikrobiologie, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Produziert von: Science Popularization China

Produziert von: China Science and Technology Press Co., Ltd., China Science and Technology Publishing House (Beijing) Digital Media Co., Ltd.