Cyanobakterien: Algenblüten im Badesee, Bioplastik im Labor

Der Ausflug zum Strand bringt an einem heißen Augusttag nicht die erhoffte Abkühlung, sondern Enttäuschung: Grünliche Schlieren treiben auf dem Wasser, es sieht wenig einladend aus. Messungen des Gesundheitsamts bestätigen den Verdacht, Cyanobakterien haben sich vermehrt. Bei Temperaturen über 25 Grad gelingt das diesen Organismen, die auch als Blaualgen bezeichnet werden, besonders gut. Wabern sie sichtbar durchs Wasser, sind sie ein Risiko für die Gesundheit. Vor dem Baden wird gewarnt oder der Strand ganz geschlossen. Allein in Hessen betrifft dies in diesen Tagen 15 Gewässer, das ist ein Drittel der Badeseen.

Cyanobakterien können Toxine produzieren, leberschädigende Substanzen oder Nervengifte, die Wassersportler, planschende Kinder und Tiere gefährden. Allerdings sind hierzulande bei Menschen keine Vergiftungsfälle bekannt. Gefährlicher ist: Wenn Menschen untergehen, haben Rettungsschwimmer keine Chance mehr, sie in dem trüben, bläulich-grün gefärbten Wasser zu finden.

F.A.Z.-Artikel häufiger in Ihren Suchergebnissen sehen

F.A.Z. bei Google bevorzugen

Einzeller, die Kolonien bilden können

Algenblüte heißt das Phänomen, wenn sich Mikroorganismen in Gewässern so stark vermehren, dass sie als Film zu erkennen sind und als Schaum oder Schleim die Strände bedecken. Der Name täuscht. Cyanobakterien sind keine Algen. Es sind Einzeller ohne Zellkern, Prokaryonten, allerdings ziemlich große, größer als die meisten anderen Bakterienarten. Einige Cyanobakterienarten sondern Kohlenhydrate ab, mit denen sich die einzelnen Zellen zu langen Fäden zusammenkleben oder als Matten auf Steinen oder Sediment haften, sich um Finger und Zehen wickeln und die Steine glitschig werden lassen. Das erweckt den Eindruck, es handele sich um Pflanzen.

Dieser Text stammt aus der Frankfurter Allgemeinen Sonntagszeitung.

F.A.S. jetzt lesen

Nicht nur dieser Eindruck trügt. Cyanobakterien sind auch sonst missverstandene Lebewesen. Die meisten kennen sie bloß als Ärgernis am Badesee. Zur Wahrheit gehört, dass das Leben auf der Erde ohne die schleimigen Einzeller kaum denkbar wäre. Und wer genau hinsieht, so wie Bioingenieure es derzeit tun, der findet in den Cyanobakterien vielleicht eine Antwort auf Umweltprobleme unserer Zeit.

Schon lange auf der Erde und überall verbreitet

Cyanobakterien bevölkern die Erde länger als fast alle anderen Organismen. Vor mehr als 2,5 Milliarden Jahren setzten sie den ersten Sauerstoff auf der Erde frei, der sich dann in der Atmosphäre anreicherte. Damit erst ebneten sie den Weg für die weitere Entwicklung des Lebens – und bewahren das Leben noch heute. Phytoplankton – Cyanobakterien sind ein Teil davon – sorgt dafür, dass wir nicht ersticken.

So alt Cyanobakterien sind, so verbreitet sind sie über den Globus. Es gibt sie nicht nur im Wasser. Sie bevölkern auch Böden und sogar die lebensfeindliche Welt der Wüsten. Die Algenblüten, die sie mitverursachen, sind Teil des natürlichen Kreislaufs und eine Nahrungsgrundlage für Tiere. Im Frühjahr, wenn sich über den Winter die Nährstoffe im Wasser angereichert haben, treten etwa in der Ostsee die ersten auf. Allerdings dominieren dann Kieselalgen, die das Wasser bräunlich aussehen lassen. Gegen sie haben die Cyanobakterien bei den geringen Temperaturen keine Chance. Erst im Sommer bestehen die Algenblüten aus Cyanobakterien. Dann nämlich wühlt der schwache Wind das Wasser kaum noch auf, es bildet sich eine stabile, warme Schicht an der Oberfläche, die den Blaualgen optimale Bedingungen bietet, während die Konkurrenz schwächelt: Die Kieselalgen werden vom Zooplankton aufgefressen und finden zudem nicht mehr genügend Silikate und Stickstoffverbindungen, die sie zum Wachsen brauchen.

Zum Umweltproblem werden die von Cyanobakterien dominierten Algenblüten erst dann, wenn sie oft auftreten und große Flächen bedecken – wie in den letzten Jahren in der Ostsee. Sie gehört zu den am stärksten von Algenblüten betroffenen Meeresgebieten. Deren Häufigkeit hat in den letzten 20 Jahren zugenommen, wie Satellitendaten zeigen. Eine Ursache sind die steigenden Temperaturen durch den Klimawandel. Die andere stammt aus der Landwirtschaft. Die Ostsee ist chronisch überdüngt, und die Nährstoffe fördern das Wachstum der Mikroorganismen. Cyanobakterien selbst tragen zudem zur weiteren Überdüngung bei, denn die in der Ostsee vorherrschenden Arten wandeln Stickstoff aus der Luft in Ammonium um. Sie produzieren dabei mehr, als sie selbst brauchen. So bringen sie fast so große Mengen an Stickstoffverbindungen in die Ostsee ein wie die Flüsse, die Dünger aus den Äckern ins Meer transportieren.

Die Ausweitung der Todeszonen

Um sich zu vermehren, brauchen Cyanobakterien vor allem Phosphat. Den gibt es in der Ostsee zuhauf. Im Sediment am Boden des Meeres haben sich über die Jahrzehnte, in denen Nährstoffe im Überfluss ins Meer gelangten, Phosphate abgelagert. In den sauerstoffarmen Zonen am Grund lösen sich die Phosphate wieder im Wasser, wandern nach oben und werden von den Mikroorganismen aufgenommen. „Ein Teufelskreis“, sagt Isabell Klawonn, die sich am Leibniz-Institut für Ostseeforschung in Warnemünde mit Blaualgen befasst. Denn die Algenblüten verschärfen den Sauerstoffmangel, wenn die Massen an Cyanobakterien sterben, absinken und dann zersetzt werden. In der Folge dehnen sich die sogenannten Todeszonen aus.

Darauf, dass Cyanobakterien von anderen Lebewesen aufgefressen werden, kann man nicht setzen. Lange wurde sogar vermutet, dass sie von Krebstieren, Rädertierchen oder Fischlarven verschmäht werden. Gerade die in der Ostsee dominierenden Arten sind für sie kaum zu verwerten. Sie seien sehr robust, erklärt Isabell Klawonn, „man kann sie sich vorstellen wie ungekochte Maccheroni“. Zwar hat die Wissenschaftlerin inzwischen festgestellt, dass Pilze die Cyanobakterien befallen, wodurch deren Filamente brüchig und somit für das Zooplankton leichter verdaulich werden. Aber dass dieser Effekt die Algenblüten eindämmen könne, sieht Klawonn nicht. Vor der deutschen Ostseeküste endeten die Blüten im August erst, als Wind und Wolken aufzogen.

Überraschungen im sauberen See

Dass in den Badegewässern hierzulande häufiger Cyanobakterien in Massen auftreten, lässt sich nach Auskunft des Hessischen Landesamts für Naturschutz, Umwelt und Geologie nicht belegen. Wenn den Badegästen häufiger Warnschilder oder Schwimmverbote begegnen, könnte das auch daran liegen, dass das Umweltbundesamt vor zwei Jahren die Empfehlungen für Badegewässer überarbeitet hat und Gesundheitsämter seitdem sensibler reagieren und schneller warnen. Denn eigentlich hat sich die Wasserqualität nicht verschlechtert.

Das sagt auch Sabine Hilt vom Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei. Allerdings seien klares Wasser und wenig Nitrat oder Phosphat im See keine Garantie dafür sind, dass Cyanobakterien wegbleiben. Hilt erforscht nämlich Arten, die sich an Wasserpflanzen heften und das Nervengift Anatoxin bilden. Diese Cyanobakterien wachsen in sauberen Seen, wo im klaren Wasser das Sonnenlicht in größere Tiefen reicht und ihnen Energie für die Photosynthese liefert.

Sie wurden gefunden, nachdem in Berlin Hunde verendet waren, die am Ufer des Tegeler Sees gespielt hatten. Dieser See war früher überdüngt, wurde restauriert, das Wasser wurde klar, und die Wasserpflanzen kamen zurück. „Nur jetzt haben wir ein neues Problem“, sagt Hilt. Es stellte sich heraus, dass die Hunde Wasserpflanzen verschlungen hatten. „Die giftigen Cyanobakterien dort scheinen Duftstoffe zu produzieren, darunter Geosmin, das so eine erdige, modrige Note hat“, berichtet Hilt. „Das finden Hunde attraktiv.“ Nur das Wasser zu trinken, hätte die Tiere nicht umgebracht: Das Gift sitzt hauptsächlich in den Zellen. Die Wasserproben allein waren unauffällig.

Grundsätzlich hängt es nicht von den Umweltbedingungen, ob Cyanobakterien Toxine bilden, es wird nur von der Genetik bestimmt. Auch innerhalb einer Art kann es harmlose Zellen geben und solche, die giftig sind. Zwischen zehn und 20 Prozent einer Art produzieren Toxine. Das bedeutet auch: Je höher die Menge an Cyanobakterien in einem Gewässer ist, desto größer kann die Menge an Giftstoffen sein und entsprechend höher das Risiko.

Auch wenn unklar ist, ob und in welchen Mengen die Toxine für Menschen giftig sind, empfiehlt Sabine Hilt, mit kleinen Kindern Abstand zu angespülten Wasserpflanzen zu halten. Wie die Cyanobakterien in dem nährstoffarmen See gedeihen können? Hilt vermutet, dass der Biofilm auf den Wasserpflanzen, an dem alle möglichen Partikel haften, gar nicht so nährstoffarm ist. Warum genau die giftigen Cyanobakterien auftreten, ist noch unbekannt.

Ähnliche Fälle wie am Tegeler See traten im Südosten der USA auf. Dort wurden Mitte der Neunzigerjahre tote Weißkopfseeadler gefunden, deren weiße Substanz im Gehirn schwammartig verändert war. Es dauerte mehr als zehn Jahre, bis Forscher der Ursache auf die Spur kamen, und 25 Jahre, bis der Fall aufgeklärt war. Die Grundnessel, eine invasive Wasserpflanze, war von Cyanobakterien besiedelt, die ein bis dahin unbekanntes Nervengift, Aetokthonotoxin, produzieren. Das Toxinmolekül enthält Brom, das vermutlich aus den Unkrautvernichtungsmitteln stammte, mit denen Pflanzen wie die Grundnessel in den Seen zurückgedrängt werden sollten. Über Fische und Wasservögel, die von den Wasserpflanzen leben, reicherte sich das Gift in der Nahrungskette an. Für die Adler waren die durch das Toxin geschwächten Blässhühner vermutlich leichte Beute, mit denen sie sich die tödliche Dosis einhandelten.

Cyanobakterien können aber nicht nur Giftstoffe herstellen. Aus ihnen lassen sich Zucker gewinnen, Düngemittel, Biokraftstoffe, Alkohole und andere Chemikalien, für deren Herstellung man bisher Erdöl benötigte, sowie Wasserstoff. „Grüne E. coli“ nennt Kirstin Gutekunst die nützlichen Cyanobakterien – denn anders als der Standardorganismus der Bioproduktion enthalten sie Chlorophyll und nutzen Licht als Energiequelle. Gutekunst arbeitet an der Universität Kassel mit einem Bakterienstamm, der Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spaltet. Der Vorteil der Cyanobakterien für die Biotechnologie sei, dass sich ihr Genom einfacher manipulieren lasse als das anderer photosynthesetreibender Organismen, etwa von Mikroalgen oder gar Pflanzen.

Karl Forchhammer von der Universität Tübingen, der seit 30 Jahren den Stoffwechsel der Cyanobakterien untersucht, meint: Die Fähigkeiten dieser Organismen muss man nutzen, um wirklich schwer zu produzierende Moleküle herzustellen, nämlich Polymere. Von Natur aus erzeugen viele Arten der Cyanobakterien das Bioplastik Polyhydroxybutyrat, PHB, berichtet er. Es dient ihnen als Kohlenstoffspeicher für schlechte Zeiten. Seiner Arbeitsgruppe ist es gelungen, ein Cyanobakterium genetisch so zu verändern, dass sich seine Zellen prall mit PHB-Partikeln füllen. In den Kulturen nimmt das Bioplastik ein gutes Drittel der trockenen Biomasse ein. Dieses Biopolymer werde sicherlich teurer bleiben als Kunststoff aus Erdöl. Denn es brauche große Flächen, damit das Licht die gesamte Kultur erreicht. Aber es hat einen „Riesenvorteil“, wie Forchhammer sagt. Es ist vollständig biologisch abbaubar. So könnte in den unangenehmen Biofilmen auf Gewässern zumindest ein Teil der Antwort auf unser Plastikmüll-Problem stecken.