Giftige Cyanobakterien in der Ostsse

von Dr. Klaus von Bröckel

Die Ostsee ist eines der größten Brackwassermeere der Welt. Eine Besonderheit der Ostsee ist das sommerliche Vorkommen von fädigen Cyanobakterien, auch Blaualgen genant. Bei ruhigem Wetter können sie große sichtbare Ansammlungen an der Wasseroberfläche bilden. Da Cyanobakterien Stickstoff fixieren und so zum Nährstoffeintrag in die Ostsee beitragen und für den Menschen sehr giftig sein können, ist die Kenntnis über das ‚Warum und Wieso' ihres Vorkommens wichtig.

Forschungen in Kiel beschäftigen sich seit Jahrzehnten mit den Cyanobakterien, den Gründen und Ursachen ihres Vorkommens und ihrer Bedeutung für die Nahrungsnetze der Ostsee. 

Grundwissen Ostsee

In der Ostsee wird der Salzgehalt durch den Einstrom von salzhaltigem und damit schwerem Nordseewasser in den Tiefenregionen und dem Zustrom von leichtem Süßwasser in die Oberfläche bestimmt. So entsteht ein Salzgehaltsgefälle von ca. 20 PSU (Practical Salinity Units oder auch Promille) an den Übergängen zur Nordsee bis ca. ein bis zwei PSU im nördlichen Botnischen Meerbusen.

In der zentralen Ostsee mit einem Salzgehalt von ca. sieben bis neun PSU kann man bei ruhigem Sommerwetter an der Wasseroberfläche oft grünlichen Fäden beobachten, die mehrere Zentimeter lang sein können, große Aggregate bilden und weite Gebiete bedecken (Abbildung 1). Dabei handelt es sich um Akkumulationen einer Cyanobakterienblüte. Wegen ihres blauen Photosynthesepigments Phycocyanin (aus dem Griechischen phykos - Tang, Seegras; kyanos - Lasurstein, blaue Farbe) wurden sie früher auch blaugrüne Algen oder Blaualgen genannt.

Es sind jedoch in Wirklichkeit Bakterien, einzellige, photosynthetisch aktive Organismen, die weder einen abgegrenzten Zellkern noch andere spezialisierte Zellstrukturen besitzen: Ihre Erbsubstanz (DNS) liegt frei in der Zelle. Sie werden deshalb wie alle Bakterien zu den Prokaryonten gerechnet, den am einfachsten gebauten Zellen. Die Zellen der Blaualgen sind so klein, dass sie für das menschliche Auge nicht sichtbar sind. Erst durch die Bildung von Kolonien, die sich weiter zu größeren Aggregaten verbinden können, werden sie für uns visuell erfassbar.

In der Ostsee treten vor allem drei Arten von fädigen Cyanobakterien auf: Nodularia spumigena (Abbildung 2), Aphanizomenon flos-aquae (Abbildung 3) und Anabaena sp. (Abbildung 4). Vor allem die ersten beiden können bestandsbildend sein.

Die filamentösen Cyanobakterien besitzen interessante Besonderheiten, die sie von anderen Phytoplanktonarten unterscheiden: (1) Sie haben gasgefüllte Zellen, mit denen sie nicht nur in der Lage sind, im Wasser zu schweben, denn der Auftrieb ermöglicht die Bildung von Aggregaten an der Wasseroberfläche. (2) Sie können Luftstickstoff fixieren. Da der Luftstickstoff nahezu unbegrenzt vorhanden ist, haben sie einen entscheidenden Vorteil gegenüber den anderen Phytoplanktern (im Wasser schwebende einzellige Algen), die auf die wenigen im Wasser gelösten Stickstoffkomponenten (Nitrat, Nitrit und Ammonium) angewiesen sind. Und (3) sie können Toxine abscheiden, welche die Zusammensetzung der Nahrungsketten beeinflussen und für Säugetiere sogar tödlich sein können.

Ur-Geschichtliches (Bedeutung für die Biosphäre der Erde)

Die Cyanobakterien sind für die Erdgeschichte sehr wichtige Organismen, denn ohne sie wäre die Biosphäre der Erde so wie wir sie heute vorfinden, nicht vorhanden. Vor ca. drei Milliarden Jahren begannen sie mit der Photosynthese. Im Wesentlichen ist es der gleiche Prozess, mit dem alle Pflanzen aus Sonnenenergie, Kohlenstoffdioxid, Wasser und einigen Nähr- sowie Spurenelementen Zucker und weiteres organisches Material aufbauen. Bei der Photosynthese wird auch Sauerstoff, eigentlich ein Zellgift, freigesetzt und an die Atmosphäre abgegeben.

Vor drei Milliarden Jahren war der Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre praktisch gleich Null. Es bestand noch keine schützende Ozonschicht und die vorhandene UV-Strahlung machte höheres Leben unmöglich. Im Verlauf von ca. 1,5 Milliarden Jahren reicherte sich der von den Cyanobakterien freigesetzte Sauerstoff in der Atmosphäre bis zu der heutigen Konzentration von ca. 20 Prozent an. Damit verbunden entstand die Ozonschicht in der Stratosphäre und führte zu einer Verschiebung der spektralen Zusammensetzung des Sonnenlichts auf der Erde, denn schädliche kurzwellige Strahlung (UV) wird durch die Ozonschicht weitgehend weggefiltert.

Damit änderten sich die Selektionsbedingungen für alle Organismen grundlegend. Heterotrophe Organismen, die biologisches Material aufnehmen und abbauen und dabei Sauerstoff veratmen, konnten sich entwickeln. Sie setzen beim Prozess der Respiration organisches Material wieder in Kohlenstoffdioxid, Wasser und die entsprechenden Nähr- und Spurenstoffe um. Die dabei freiwerdenden Energie, das heißt die ehemalige Sonnenenergie, erhält ihre Lebensfunktionen. Zu den heterotophen Organismen, die Sauerstoff atmen, gehören natürlich auch wir Menschen.

Heute finden wir Cyanobakterien überall auf der Erde, in allen Klimaregionen, in Salz- und Süßgewässern, in fast allen physikalisch und chemisch extremen Habitaten sowie in der Erde selbst.

Die Fähigkeit, Luftstickstoff zu binden

Die zwei wichtigsten Nährstoffe für alle schwebenden Pflanzen im Meer, dem sogenannten Phytoplankton, sind die Stickstoffverbindungen, also Nitrat, Nitrit und Ammonium sowie das Phosphat. Bei einem Stickstoff zu Phosphor (N:P) Verhältnis von ca. 16 stehen beide Komponenten im biologischen Gleichgewicht. Wenn beides vorhanden ist, können sie gleichmäßig aufgenommen werden und keines wirkt limitierend. Ein limitierender Nährstoff zeichnet sich dadurch aus, dass er durch seine Verfügbarkeit die Menge des Phytoplanktons bestimmt. Denn wenn er bereits aufgebraucht ist, nutzt auch die Verfügbarkeit der anderen Nährstoffe nichts. In der Ostsee ist, teilweise bedingt durch die Zufuhr von menschlichen Abwässern, normalerweise relativ mehr Phosphat als Stickstoff vorhanden.

Die Cyanobakterien, die den nahezu unbegrenzt vorhandenen Luftstickstoff ausnutzen können, sind natürlich gegenüber den anderen Algenarten (z. B. Diatomeen und Dinoflagellaten) im Vorteil. Solange noch Phosphat vorhanden ist, können sie im Gegensatz zu den anderen noch wachsen und sich vermehren. Die Stickstofffixierung findet dabei in speziellen Zellen, den Heterocysten, unter Luftabschluss statt.

Die Stickstofffixierung ist für das ganze Ökosystem von Bedeutung, da der einmal von den Cyanobakterien aufgenommene Stickstoff später als Nährstoff oder organische Substanz in der Nahrungskette weitergegeben wird. Erste Messungen haben ergeben, dass 20 bis 40 Prozent der Zufuhr an Stickstoffkomponenten in das Ökosystem der Ostsee durch die Stickstofffixierung der Cyanobakterien erfolgt.

Cyanobakterien können zudem in Gasvakuolen Gase einlagern, die ihnen die Fähigkeit verleihen, im Wasser mit einer Geschwindigkeit von 20 bis über 30 Meter pro Tag nach oben zu steigen. So können sich die großen Ansammlungen an der Wasseroberfläche bilden. Hier erhalten die Cyanobakterien ein Maximum an Sonnenenergie, die sie für die Stickstofffixierung benötigen. Beim nächsten Sturm, der sie wieder nach untern wirbelt, können sie sich in den unteren oft nährstoffreicheren Schichten wieder mit fehlendem Phosphat versorgen.

Gifte der Cyanobakterien

In die Schlagzeilen der Zeitungen geraten vor allem Cyanobakterien aus Süßgewässern (Seen), wenn sie mit dem Wasser getrunken werden und durch die in ihnen enthaltenen Toxine Säugetiere (Kühe, Hunde) zu Tode kommen. Aber auch die Cyanobakterien in der Ostsee können toxisch sein. So mussten im Sommer 2001 Teile der deutschen Ostseestrände aufgrund hoher Blaualgenkonzentrationen gesperrt werden.

Die in der Ostsee vorkommenden fädigen Cyanobakterien (Nodularia spumigena, Aphanizomenon flos-aquae, Anabaena sp.) können toxisch sein, sie sind es jedoch nicht immer. Ihre hochpotenten Gifte (Cyanotoxine) und Allergene ähneln Nervengiften. So kann Aphanizomenon flos-aquae sogenannte Anatoxine produzieren, deren Wirkung den Nervengiften Tabun und Sarin ähnlich ist. Nodularia spumigena kann das Nodularin produzieren, ein hochwirksames Lebergift, daß für Säugetiere, ähnlich dem Gift des Knollenblätterpilzes, tödlich sein kann.

Welche Wirkungen und Funktion diese Gifte in den marinen Ökosystemen haben, ist weitgehend unbekannt. So ist beobachtet worden, dass zum Beispiel Copepoden (kleine Ruderfußkrebse) Cyanobakterien nur bei sonstigem Nahrungsmangel aufnehmen und anschließend in ihrer Entwicklung behindert sind, oder sogar steril werden. Auch Fische scheinen die Cyanobakterien "nicht zu mögen".

Forschungsaktivitäten

Seit mehreren Jahrzehnten beschäftigt sich Kieler Forscher mit den Phytoplanktongemeinschaften der westlichen und mittleren Ostsee. Dazu gehören natürlich auch die Cyanobakterien. Der jahreszeitliche Verlauf ihrer Entwicklung und ihre Stellung im Ökosystem stehen dabei im Vordergrund.

In den letzten beiden Jahrzehnten haben die Ausdehnung und die Frequenz von Cyanobakterienblüten zugenommen. Die Gründe hierfür sind zur Zeit noch nicht bekannt. Zunächst wurde vermutet, dass dies eine Folge der zunehmenden Eutrophierung der Ostsee ist, bedingt durch menschliche und industrielle Abwässer. Doch obwohl die Eutrophierung in den letzten Jahren wieder abnimmt, scheint dies keinen Einfluss auf das Ausmaß der Cyanobakterienblüten zu haben.

Ein spezielles Cyanobakterien Projekt gefördert durch die Europäische Union war "BASIC: Baltic Sea Cyanobacteria. An investigation of the structure and dynamics of water blooms of cyanobacteria in the Baltic Sea - Responses to a changing environment". Über einen Zeitraum von mehreren Jahren wurden Cyanobakterienbüten in der Ostsee ausgiebig untersucht. Erste, wichtige Ergebnisse wurden hier zusammengefasst, weitere Daten stehen zur Zeit noch vor der Auswertung.

Weiterführende Fachliteratur:

Carpenter, Edward J.: Marine Pelagic Cyanobacteria, 1992
Charpy, Loic: Marine Cyanobacteria, 1999
Fay, Peter: The Cyanobacteria, 1987
Komarek, Jiri: Cyanobacteria / Cyanophyta, 1999

Dr. Klaus von Bröckel war Wissenschaftler am GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel.