Cyanobakterien bekämpfen

Wasser ist im Sommer die beste Erfrischung - ein schönes Bad im See macht Spaß und schwimmen ist gesund. Oder?

Eigentlich ja - wäre da nicht das gefährliche photosynthetic cyanobacterium, das einen See bereits durch geringe Mengen stark beeinträchtigen kann. Starkes Wachstum kann schnell einen cyanobacteria bloom auslösen, dann geht niemand mehr ins Wasser. 

Wasser- und Bodenwerte zu kennen - und unter Kontrolle zu halten ist der Schlüssel zum Erfolg:
Wenn sich aufgrund zu hoher Nährstoff Vorkommen die Giftstoffe im Wasser vermehren und der Fisch in Gefahr ist, sollte eine Analyse auf gezielte Parameter - wie Nitrat - erfolgen. Ein Bodengrund mit viel abgestorbener Biomasse wird von jedem pflanzlichen Organismus genutzt und nährt unter anderem auch cyanobacterial species - Cyanotoxins - können die Folge sein.

Im Badesee wird eine Sichttiefe von mindestens einem Meter empfohlen - die Sichttiefe ist umso höher, je weniger Nährstoff den Pflanzen und alga im Gewässer zur photosythesis zur Verfügung stehen. In erster Linie bestimmt die Konzentration an Pflanzennährstoffen (in der Regel des Gesamtphosphors, auch „Gesamt-P“ genannt) die maximal mögliche Zelldichte der Cyanos und somit auch die Toxinkonzentration. Die Relation zwischen der Menge an cyanobacterium und dem Gesamt-P ist zwar auch vom Gewässertyp abhängig, im Allgemeinen kann jedoch davon ausgegangen werden, dass unterhalb einer Gesamt-P-Konzentration von ca. 0,02 mg/L hohe Biomassen an cyanobacterium unwahrscheinlich sind, da die Kapazität für die Bildung hoher Zelldichten zu gering ist. 

Doch was versteht man unter einem photosynthetic cyanobacterium - wo kommt es her, und was unterscheidet die Blaualge von Algen? Und warum ist es schädlich? Muss man es bekämpfen? Und wie funktioniert das? Gibt es eine Definition zu cyanobacterium? Und handelt es sich um ein alga oder ein bacterium?

Prochlorococcus und Co. - jetzt wird es kompliziert! Viele Fragen werden in diesem Artikel geklärt - wem das zu kompliziert ist, kann gerne auf der folgenden Seite weiterlesen: 

Algen und Cyanobakterien vermeiden - so gehts

Was bedeuten Cyanos für Menschen und Tiere?

Bei Kontakt von verschmutztem Wasser kann es zu Durchfall kommen - manche Cyanogifte (cyanotoxins) sind tödlich - beispielsweise anatoxin-a. 

Wie stark ist die Gewässerbelastung durch Cyanos? 

Eine Massenvermehrung der Blaualge Cyanobacteria kommt in vorwiegend belastetem Wasser mit hohem Nährstoffgehalt vor. Das Vorkommen von Algenblüte und cyanobacterial bloom schränkt die Gewässernutzung erheblich ein, den eine Vielzahl von giftigen Stoffen werden produziert: die Sekundärmetaboliten.

Wie erkennt man cyanobacterial bloom im Wasser und was ist die Ursache?

Fisch, Mensch und Tier sind dann in Gefahr - sofern sie mit dem belasteten Wasser in Verbindung treten. Da Cyanos gefährlich sind, wird ein Badeverbot ausgesprochen, wenn die Belastung eine Grenze überschreitet - Verschlechterung der Wasserqualität durch die Blaualge ist ein Horrorszenario für jeden Badegewässer Betreiber.

Mögliche Ursachen: Ein durch Nitrat und mit hohem Phosphat-Wert belastetes Gewässer kann am Bodengrund eine anoxische Schicht bilden. Dieses anaerobe Milieu verdrängt biologisch agierende wertvolle verschiedene Arten. Das cyanobacterium ist anspruchslos und überlebt auch in Sauerstoff-armer Atmosphäre. Phytoplankton aus alternativen Quellen kann als Konkurrent zur Nahrungsaufnahme gegen Cyanobakterien eingesetzt werden.

Was hilft bei der Bekämpfung? Kann man cyanobacterial bloom überhaupt bekämpfen?

Zur Bekämpfung oberflächlicher Cyanobakterienteppiche kann man auch absaugen. Ursachenbekämpfung - also die Vermeidung übermässiger Nährstoffe im Wasser - ist jedoch die erste Empfehlung gegen Cyanobacteria.

Auch in einem Aquarium kann es zu starkem Befall kommen - abziehen, absaugen, ein großer Wasserwechsel oder eine Dunkelkur sind hier die ersten möglichen Mittel. Gegenüber chemischen Mitteln wie Easy Life Blue Exit oder NITE-OUT II sind Maßnahmen ohne Zusatzstoffe immer vorzuziehen.

Was sind Cyanobakterien - cyanobacterial species - oder auch Blaualgen:

Die Cyanobacteria, von altgriechisch κυανός kyanós, deutsch ‚blau‘, daher auch Blaugrünbakterien, bilden eine Abteilung (Phylum) der Domäne Bacteria. Per Definition zeichnen sie sich vor allen anderen Bakterien durch ihre Fähigkeit zur oxygenen cyanobacterial photosynthesis aus. Früher wurden sie zu den Phycophyta (Algen) gerechnet und als Klasse Cyanophyceae („Blaualgen“) geführt.

Die Blaualge - Cyanophyta - kommt aus der Gattung Microcystis und ist ein Vorläufer der Chloroplasten. Die Geschichte dieser Bakterie ist sehr alt - cyanobacterium gehört zu den ältesten Lebensformen überhaupt! Sie entstand bereits vor der Photosyntheseund verlieh der Grünalge durch Chlorophyll ihre Farbe. Es gibt unterschiedliche Photosynthese-Farbstoffe - sie beruhen auf Photosyntheseprozessen, wie sie heute in Pflanzen vorkommen (plant-like photosynthesis). Die Purpurbakterien nutzen - wie cyanobacterium - ebenfalls Sonnenlicht zur Photosynthese. 

Ganz schön luftig:

Oxygenic photosynthesis ist ein spezieller Stoffwechselprozess von Pflanzen, Algen und Cyanobakterien: sie setzen bei der Photosynthese Sauerstoff frei.

Vor einigen Milliarden Jahren waren die Atmosphäre und Wasser noch anaerob. Die massenhafte Vermehrung der damals existenten Arten von cyanobacterium bewirkte eine entscheidende Veränderung der Lebensbedingungen auf der Erde - das oxygenic by-product Sauerstoff führte zu einem kompletten Wandel unseres Planeten. Bekannt unter dem Namen "the Great Oxidation Event" veränderte diese große Sauerstoffkatastrophe die Lebensbedingungen auf der Erde. Damals gab es Sauerstoff produzierende Cyanos (photosynthetic bacteria) bereits 300 Millionen Jahre lang. Sie betrieben cyanobacterial photosynthesis - oder auch oxygenic photosynthesis. Unter einer oxygenen Photosythese versteht man die Produktion von elementarem molekularem Sauerstoff während der Photosynthese.

Dieser Vorgang ist ein physiologischer Prozess zur Erzeugung energiereicher Biomoleküle aus energieärmeren Stoffen mit Hilfe von Lichtenergie. Algen, Pflanzen und manche Bakterien sind dazu in der Lage - und Pioniere waren die heutigen Cyanobakterien. Ihre Entstehung und Diversifizierung scheint mit größeren Unterbrechungen der Nährstoffkreisläufe der Erde zusammenzuhängen, wie z. B. einigen der extremen Vergletscherungen (z. B. Schneeball Erde) und der weit verbreiteten Sauerstoffanreicherung der Ozeane, die beide vor der Entstehung der Tiere stattfanden (siehe P. Sánchez-Baracaldo).

Zackige Alga: cyanobacterial photosynthesis

Bei der oxygenen Photosynthese (meist bei hohen Temperaturen im Wasser - also water-oxidizing), sind die zwei membranintegralen Photosysteme II und I in Serie geschaltet. Ähnlich der Atmungskette sind die beiden Photosysteme durch eine Elektronentransportkette verbunden, die neben dem kleinen Molekül Plastochinon auch einen weiteren membranintegralen Proteinkomplex (Cytochrom-b6f-Komplex) und das kleine Protein Plastocyanin umfasst. Werden die Redoxpotentiale aller an der Reaktion beteiligten Redoxpartner aufgetragen, ergibt sich eine Art Zick-Zack-Verlauf, der an ein gedrehtes „Z“ erinnert - das sogenannte Z-scheme.

Warum bekämpfen?

Vorläufer der blue-green algae waren vermutlich die ersten Lebewesen auf der Erde überhaupt. Dass sie heute so unbeliebt bei Badegästen sind, und dass wir sie bekämpfen, hat eine lange Geschichte: 

Die extreme Zunahme der menschlichen Bevölkerung und die damit verbundene anthropogene Nutzung haben zu einer zusätzlichen Belastung der Boden- und Wasserressourcen geführt. Mikroalgen und Cyanobakterien sind im Vergleich zu anderen Organismen umweltfreundlich, haben eine größere Zellgröße und eine effiziente Biomasseproduktion, was sie zur besten und nachhaltigsten Lösung für die Probleme im Zusammenhang mit der Bodenfruchtbarkeit und den verfügbaren Wasserressourcen macht. Wissenschaftler wie J. S. Singh und P. Sánchez-Baracaldo sind Spezialisten auf diesem Forschungsgebiet.

Aber nun zur Ursache der namensgebenden Farbe der Blaualge oder blue-green algae: die grün-blauen Cyanobakterien sind heute weit verbreitet - bei hohen Wassertemperaturen können sie sich innerhalb kurzer Zeit im Gewässer stark vermehren.

Der Begriff Blaualge oder blue-green algae ist bereits mißverständlich: bei dieser sogenannten Alge (alga) handelt es sich um eine Bakterie (bacterium) - das cyanobacterium. Das Wort stammt aus dem Griechischen und bedeutet Blaugrünbakterie - hier wäre die Farbe bereits erklärt. Doch nicht alle Vertreter dieser Spezies sind Blau - Phycocyanin verleiht durch photosynthesis eine blau-grüne Färbung. Es gibt sogar rötliche Bakterien (rote Schmieralgen). Meistens empfinden wir einen cyanobacteria bloom - ein Massenaufkommen des cyanobacterium - als schleimig. Als photosynthetic bacterium - betreibt die alga cyanobacterial photosynthesis.

Cyanobacteria Definition: 

Eine allgemeingültige Definition von Cyanobakterien ist schwierig: sie sind bereits sehr gut erforscht und man kennt fossile Arten, die mittlerweile sehr gut eingeordnet werden können.

Sie sind in ihrer Morphologie variabel und reichen von einzelligen und fadenförmigen bis hin zu kolonialen Formen. Fadenförmige Formen weisen eine funktionelle Zelldifferenzierung auf, wie z. B. Dickwandige Heterozysten zur Stickstofffixierung) (thick-walled heterocysts, heterocyst-forming bacterium), Akineten (Zellen im Ruhestadium) und Hormogonien (reproduktive, bewegliche Fäden). Sie gehören zur der Sorte der Gram-negative bacteria (gramnegative Bakterien), bei denen die Zellhülle aus einer äußeren und einer inneren Membran mit einer dazwischen liegenden Peptidoglykanschicht besteht (plasma membrane oder cytoplasm membrane). Trichodesmium sind fädig gestaltet - aus dem Griechischen trichodesmos = Haarband. Phycobilisomen sind große Proteinkomplexe - supramolekulare Komplexe aus wasserlöslichen akzessorischen Pigmenten. Sie dienen als die wichtigsten Lichtsammelantennen in Rotalgen.

Ihr möchtet mehr wissen? Dann lest gerne weiter:

Die Spezies Prochlorococcus ist ein vorwiegend marin verbreitetes, Photosynthese betreibendes, einzelliges photosynthetic Cyanobakterium (cyanobacterial cell). 

Prochlorococcus gehört zu den kleinsten bekannten photoautotrophen Gemeinschaften und damit zum sogenannten Picoplankton. Aufgrund seiner hohen Konzentration in weiten Bereichen der Ozeane ist er nach aktuellem Forschungsstand das Lebewesen mit der höchsten Individuenanzahl und zugleich das am weitesten verbreitete Lebewesen der Erde und spielt bei der Primärproduktion organischer Stoffe eine besonders große Rolle. Die Arten der Gattung Prochloron sind Oxyphotobakterien oder sauerstoffhaltige photosynthetische oder phototrophic Prokaryoten. Sie besitzen keinen echten Zellkern. Die einzigartige photosynthetische Morphologie dieser Zellgebilde macht sie für Wissenschaftler interessant, die die Evolution der Merkmale von Photosynthesizern untersuchen.

In der Ostseeforschung Warnemünde werden die Auswirkungen alternder Cyanobakterienblüten auf den Stickstoffkreislauf im Zusammenhang mit der Primär- und Sekundärproduktion sowie auf die funktionelle Artenvielfalt des Planktons untersucht.

Das Thema der marine cyanobacteria ist - je mehr man sich damit beschäftigt - sehr komplex. Aufgrund all dieser Tatsachen sollten wir die Spezies der marine cyanobacteria - Prochlorococcus - und Artverwandte - nicht ignorieren.

Was zeichnet ein cyanobacterium aus? Die Wissenschaft der Molecular Biology beschäftigt sich mit biochemischen Prozessen dieser Art.

Viele Cyanobakterien können einen Stickstoff Kreislauf (nitrogen fixation) betreiben: In speziellen Zellen (Filamenten - filamentous cyanobacteria) wandeln sie molekularen Stickstoff oder nitrogen (N2), abhängig vom pH-Wert, in Ammonium (NH4+) oder Ammoniak (NH3) um. Nostoc, Anabaena und Oscillatoria sind stickstofffixierende Algen aus der Gruppe cyanobacterium.

P. Sánchez-Baracaldo ist eine Expertin auf diesem Gebiet und erforscht nitrogen fixation (Stickstoff Bindung): Durch die Untersuchung der Evolution kälteangepasster Cyanobakterien wollen wir verstehen, wie Cyanobakterien in der Erdgeschichte zu früheren und heutigen Nährstoffkreisläufen in polaren Umgebungen beigetragen haben.

Die Stickstofffixierung in diesen Organismen ist ein lichtstimulierter Prozess. Stickstoff (nitrogen) wird dabei nur unter kombinierten Stickstoffmangel-Bedingungen fixiert. In Gegenwart einer kombinierten Stickstoffquelle bleibt das Enzym Nitrogenase unterdrückt, was ähnlich wie der Sauerstoff-Effekt eine reversible Hemmung darstellt. 

Als Anpassung an Stickstoffmangel (nitrogen deficite) entwickelten sich zwei grundsätzlich verschiedene Lebensstile des bacterium: Das zur Stickstofffixierung befähigte (diazotrophe) cyanobacterium umgehet den Stickstoffmangel durch Expression des Nitrogenase-Enzymsystems. Das zahlreich vorkommende nichtdiazotrophe cyanobacterium hingegen (insbesondere viele einzellige und einfache filamentöse Arten) reagieret auf Stickstoffmangel (nitrogen deficite) mit einer charakteristischen Chlorosereaktion.

Das Schema zeigt eine dickwandige Heterocysten-Bakterie - sie betreibt Stickstoff-Fixierung:

Gibt es Gute und Schlechte? Das ist Ansichtssache.

Für die Medizin sind Cyanobakterien interessant, da sie unterschiedliche Toxine (cynotoxins) bilden - also Giftstoffe. Besonders bekannt sind die Mycrocystine.

Die Gattung Planktothrix ist in der Lage noch unbekannte Toxine zu bilden - Microcystis produziert giftige Peptidverbindungen, die unter das Kriegswaffengesetz fallen.

Mit größeren Mengen von Cyanos ist nicht zu spaßen. Forschung über Cyanos und grüne Biodiversität ist breit gefächert und ein endloses Feld - so kamen Forscher des Leibniz-Institut zu dem Schluß, dass es dringend erforderlich ist, die Biodiversität kultivierter Cyanobakterien über die etablierten Modellsysteme hinaus zu nutzen, um deren verborgenes biotechnologisches Potential voll auszuschöpfen.

Die DSMZ-Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH ist spezialisiert auf diesem Feld und spricht eher von Komplexität als von Kontamination, da wir Forschungsergebnisse biologisch vorkommender Giftstoffe sehr gut in der Medizin nutzen können. Auch in der Reinigung von Abwasser und kontaminierten Böden können Wirkstoffe dieser Spezies Schlüsselfunktion bekommen. J. S. Singh schreibt dazu "Cyanobakterien: ein wichtiger Bio-Agent für die ökologische Wiederherstellung degradierter Böden und die nachhaltige Landwirtschaft".

Für weitere Informationen und besten Tipps zur Anwendung steht Ihnen ein Ansprechpartner über unser Kontaktformular zur Verfügung.