Veranlassung
Die aktuellen, trockenen Jahre haben gezeigt, dass an den Bundeswasserstraßen im Binnenland und den Ästuaren in Zeiten des Klimawandels wieder vermehrt mit Eutrophierungs-Phänomenen zu rechnen ist. Das Fischsterben in der Oder, ausgelöst durch das verstärkte Wachstum der Alge Prymnesium parvum und der von ihr gebildeten Toxine, die mittlerweile regelmäßig auftretenden Cyanobakterienblüten an der Mosel oder auch die wieder verstärkt auftretende Sauerstoffproblematik in vielen Fließgewässern wie z. B. der Elbe sind die prominentesten Beispiele dieser Entwicklung (Abb. 1). Nicht nur in den Medien, der Öffentlichkeit und in der nationalen und internationalen Politik, auch bei den verwaltenden Behörden wie den Landesämtern oder der Wasserstraßen und Schifffahrtsverwaltung des Bundes erregt dieses Thema große Aufmerksamkeit und Besorgnis. Eutrophierung ist eines der zentralen Wasserqualitätsprobleme, die in der Nationalen Wasserstrategie der Bundesregierung benannt werden. Ihre Vermeidung, insbesondere im Ästuar- und Küstenbereich, ist „Vision“ der Nationalen Wasserstrategie und entspricht dem nationalen Umweltziel 1 aus der Umsetzung der Europäischen Meeresstrategie-Rahmenrichtlinie.
Die Gründe für diese Eutrophierungsphänomene liegen in den ungewöhnlich langen, trockenen und warmen Wetterperioden in den Frühjahrs- und Sommermonaten der vergangenen Jahre. Diese führen nicht nur zu einem Anstieg der Wassertemperatur und ausreichender Lichtverfügbarkeit, auch der Abfluss in den Bundeswasserstraßen nimmt ab, während die Aufenthaltszeit des Wassers gerade in staugeregelten Bereichen ansteigt. All diese Faktoren sind wachstumsfördernd für Algen und Cyanobakterien. Durch den geringen Abfluss werden zudem eingeleitete Substanzen nicht mehr ausreichend verdünnt. Im Falle der Oder führten durch den Bergbau eingeleitete Salze erst dazu, dass die Brackwasseralge Prymnesium parvum ein ideales Habitat vorfand.
Es besteht daher starker Bedarf, solche Kipppunkte von Gewässern frühzeitig zu erkennen und über ein Monitoringprogramm im Krisenfall die Handlungsfähigkeit der zuständigen Behörden zu verbessern. Dazu ist es zunächst notwendig, das Potenzial der Bundeswasserstraßen für die Massenentwicklung von schädlichen Algen und Cyanobakterien zu evaluieren und damit zu klären, an welchen Bundeswasserstraßen das Risiko für schädliche Algenblüten besteht.
Es gibt verschiedene Algen, andere Protisten und Cyanobakterien, die das Potenzial schädlicher Auswirkungen auf das Ökosystem und die menschliche Gesundheit haben. Die Nischen oder Habitate, in denen diese Arten vorkommen sind zwar begrenzt, es ist jedoch nachgewiesen, dass durch den Menschen verursachte Phänomene (Klimawandel, Einleitung von Nährstoffen und Salzen) die Ausbreitung schädlicher Algen befördern und es dadurch zu massenhaften Entwicklungen dieser kommt. Es ist nicht bekannt, in welchen der Bundeswasserstraßen mögliche Habitate für diese schädlichen Organismen derzeit bestehen oder auch in Zukunft unter einem Klimawandelszenario entstehen könnten. Diese Lücke soll in diesem Projekt geschlossen werden.
Ziele
- Identifizierung der TOP10 HABs (engl. „Harmful Algae Blooms“ = schädliche Algenblüten), also der 10 Arten, die am wahrscheinlichsten in großen Fließgewässern eine schädliche Algenblüte bilden und Charakterisierung ihrer Umweltanforderungen
- Erstellung und Veröffentlichung von Steckbriefen der TOP10 HABs
- Zusammenstellung von Umweltdaten für eine Risikoanalyse schädlicher Phytoplankton-Massenentwicklungen
- Analyse des trophischen Potenzials der Bundeswasserstraßen, d. h. der theoretischen Möglichkeit für eine Phytoplankton-Massenentwicklung in den Bundeswasserstraßen.
Im Oktober 2002 fand in Dresden das kick-off meeting für das Europäische Projekt Barriers against cyanotoxins in drinking water statt. Damit übernimmt das TZW die Koordinatorfunktion für ein länderübergreifendes europäisches Projekt, welches durch die EU-Kommission im Verbund des 5. Rahmenprogramms europäischer Forschung gefördert wird. Das Projekt hat zum Ziel, die Forschungsergebnisse von 10 europäischen Einrichtungen zu Fragen des Vorkommens und der Eliminierung toxischer Algenmetaboliten zusammenzuführen, um daraus für Europa relevante, aber auch für Länder der südlichen Hemisphäre entscheidende Erkenntnisse in Bezug die Trinkwasseraufbereitung abzuleiten. Partner des TZW bei diesem Projekt sind die nachfolgend aufgeführten Institute: University of Dundee (Großbritannien), Eidgenössische Anstalt für Wasserversorgung, Abwasserreinigung und Gewässerschutz (EAWAG, Schweiz), Institute of Water & Environment (DHI, Dänemark), Universidad de Extremadura (Spanien), Water Research Center (WRc, Großbritannien), Kiwa NV - Keuringsinstituut voor Waterleidingartikelen (Niederlande), Aabo Akademi University (Finnland), Universidade do Algarve (Portugal) sowie die University of Lodz (Polen). Das Konsortium vereint somit Fachinstitute der aquatischen Forschung und der Wassertechnologie. Europaweit konnten bei der Vorbereitung des Projektes mehr als 30 Nachnutzer gewonnen werden. Dazu zählen Fachbehörden und vor allen Dingen Wasserversorgungsunternehmen. Das Projekt erhebt den Anspruch, eine breite Öffentlichkeit zu erreichen. Zu diesem Zweck wurden zwei Internet-Seiten eingerichtet. Unter http://www.cyanotoxic.com sind die Projektstruktur, die wesentlichen Projektziele und die geplanten Arbeitsschritte abzufragen. Zudem werden in Berichtsform die erreichten Ergebnisse dargestellt. Ein weiterer zentraler Punkt des Projektes ist die in den folgenden Jahren aufzubauende Internet-Plattform. Diese Information ist unter http://www.cyanobacteria-platform.com abzurufen. Das Ziel dieser Informationsseite ist es, die europäische Situation hinsichtlich der Belastung der Trinkwasserversorgung dienender Gewässer mit Cyanobakterien darzustellen.
Veranlassung
„Algenblüten“ sind deutlich sichtbare Zeichen für die multiplen Belastungen, denen unsere Binnengewässer ausgesetzt sind, wie z. B. Nährstoffeinträge, Folgen des Klimawandels – insbesondere Dürren und Starkregen – oder physische und biologische Strukturveränderungen. Diese können mit erheblichen Nutzungseinschränkungen einhergehen. Das massenhafte Fischsterben in der Oder 2022 hat eindrücklich gezeigt, welche Auswirkungen auf Ökosysteme durch das Freisetzen von Algentoxinen entstehen können, und dass dafür verantwortlichen Prozesse möglicherweise so schnell und großräumig ablaufen, dass klassische Monitoring-Strategien diese nicht erfassen. Die Gewässerfernerkundung bietet die Möglichkeit, Algenblüten über die Chlorophyll-a-Konzentration großflächig mittels Satellitendaten zu erheben und Informationen in nahe-Echtzeit bereitzustellen.
Eine bundesweite Überwachung von Algen in Fließ- und Standgewässern ist aufgrund des umfassenden Copernicus-Programms der EU technisch möglich und inhaltlich notwendig, um den Behörden zukünftig ein effizientes Gewässermonitoring und z. B. eine Früherkennung kurzzeitig auftretender Ereignisse mit Algenmassenentwicklungen zu ermöglichen. Zudem bieten die Daten wichtige Informationen für die Bewirtschaftung von Trinkwassertalsperren und Badegewässern.
Ziele
- Automatisierte, skalierbare Ableitung von Chlorophyll-a-Konzentrationen und ergänzenden Gewässergüteparametern aus räumlich- und zeitlich hochaufgelösten, großflächig verfügbaren Satellitendaten für Beispielgewässer (Fließ- und Standgewässer).
- Kalibrierung, Validierung und Qualitätssicherung der erzeugten Daten mittels vorhandener In-situ-Daten
- Entwicklung und automatisierte Erzeugung anwendungsbezogener, maßgeschneiderter Indikatoren, Produkte und Visualisierungen
- Entwicklung einer digitalen Anwendung auf der Cloud-Plattform CODE-DE inkl. Bereitstellung der erzeugten Daten und Produkte
- Planspiele für konkrete Anwendungsfelder – u. a. zur Einbindung von Fernerkundung in die Berichterstattung
Der Algenmonitor wird auf diesen Grundlagen eine wissenschaftlich fundierte Anwendung demonstrieren, die für den behördlichen Einsatz frei verfügbare, zeitlich hochaufgelöste Gewässerfernerkundungsdaten von Beispielgewässern zur Verfügung stellt. Da die Anwendung auf Open-Source-Bausteinen beruht, schafft dies eine Basis für eine Skalierung auf das ganze Bundesgebiet.
Die Bundesanstalt für Gewässerkunde, das Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung und das Umweltbundesamt starteten im August 2024 das Verbundprojekt „Algenmonitor“, gefördert vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und Bundesministerium für Digitales und Verkehr (BMDV).Grundlegende Ziele des Verbundprojektes sind, auf Basis von Satellitendaten räumlich- und zeitlich hochaufgelöste Chlorophyll-a-Konzentrationen, für die Anwendungen maßgeschneiderte Produkte und weitere spezifische Indikatoren für (schädliche) Algenblüten bereitzustellen. Die Anwendung des Algenmonitors soll in diesem Projekt anhand von Beispielgewässern erprobt werden; angestrebt sind je nach Verfügbarkeit von In-situ-Daten mindestens drei große Fließgewässer und drei Standgewässer. Die erforderlichen Prozessierungsschritte werden auf der cloudbasierten Prozessierungsplattform CODE-DE implementiert. Anhand der Beispielgewässer können dieprozessierten Gewässerfernerkundungsdaten von Flüsse und Seen mit In-situ-Daten des Bundes, der Bundesländer und aus wissenschaftlichen Messnetzen (z. B. eLTER) validiert und ergänzt werden. Durch die Einbeziehung der Copernicus-Daten und -Dienste entsteht eine Grundlage, die es den Behörden von Bund und Ländern potentiell ermöglicht, wichtige Wassergüte-Parameter für die bundesweite Gewässerüberwachung großflächig zu erheben und in Wert zu setzen.
Ziel des Vorhabens ist es, Gewässerfernerkundungsdaten für die weitere Verwendung zu erschließen und konkrete Anwendungsmöglichkeiten aufzuzeigen.
<p>Im August 2022 schockierten die Bilder von toten Fischen in der Oder die Öffentlichkeit und die Fachwelt. Ursache war die Massenvermehrung der Alge Prymnesium parvum, die bevorzugt in salzhaltigem und nährstoffreichem Wasser lebt und ein hoch fischgiftiges Toxin bilden kann. Das Umweltbundesamt (UBA) hat nun ein Fact Sheet zum Fischsterben in der Oder veröffentlicht.</p><p>Durch die Bedingungen im Sommer 2022 konnte sich die Alge nach Salzeinleitungen in der aufgeheizten, nährstoffreichen Oder bei niedrigen Wasserständen extrem vermehren („Algenblüte“). Auch diesen Sommer steigen die Temperaturen wieder an. In seinem neuen <a href="https://www.umweltbundesamt.de/publikationen/fischsterben-in-der%20">Fact Sheet</a> stellt das Umweltbundesamt (<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/u?tag=UBA#alphabar">UBA</a>) Erfahrungen zur Algenblüte aus dem letzten Sommer und Informationen zur den Lebens- und Vermehrungsbedingungen der Alge <em>Prymnesium parvum</em> bereit.</p><p>Auf der <a href="https://www.bmuv.de/service/fragen-und-antworten-faq/faq-zum-fischsterben-in-der-oder">Website des Bundesumweltministeriums (BMUV)</a> finden sich zudem neben dem Bericht der Expertengruppe aus 2022 eine FAQ-Sammlung zur Oderkatastrophe, die kontinuierlich erweitert wird.</p>
Azaspirosäuren (AZA) sind eine neu entdeckte Gruppe von fettlöslichen Algentoxinen, die, in Muscheln und anderen Meeresfrüchten angereichert, beim Menschen nach Verzehr zu erheblichen Gesundheitsproblemen führen können. Vor kurzen konnten wir im Plankton der Nordsee den Produzenten dieser marinen Biotoxine identifizieren: eine kleine einzellige Art aus der neuen Mikroalgen-Gattung Azadinium. Somit sind nun gezielte Untersuchungen zum Vorkommen und Gefährdungspotential dieser Organismen möglich. Unsere gemeinsam mit den Chinesischen Kooperationspartnern durchgeführten Voruntersuchungen zeigen, dass toxische Arten der Gattung Azadinium auch in Chinesischen Küstengewässern vorkommen. Das ist von besonderer Bedeutung, da sich die Volksrepublik China mittlerweile zu einem der bedeutendsten Produzenten und zu einem Exporteur gezüchteter Muscheln entwickelt hat. Der deutsche Markt für Aquakulturprodukte ist dagegen von Importen dominiert und ist damit abhängig von einer funktionierenden Kontrolle und Überwachung in den produzierenden Ländern. Das Ziel dieser Studie ist es, das Vorkommen und die Häufigkeit der Arten von Azadinium und deren Reaktionen auf sich Klimaerwärmung zu untersuchen. Die Studien bilden die Grundlage für eine umfassende Risikobewertung der Blütenbildung dieser Arten und der damit verbundenen Gefahr von Muschelvergiftungen in chinesischen und deutschen Küstengewässern. Die Ergebnisse dieser Studie werden dazu beitragen, für Chinesische Küsten und für den Nordseebereich die Nahrungsmittelsicherheit bei Meeresfrüchten zu gewährleisten und zu verbessern. Weiterhin werden wir Daten und Erkenntnisse für eine Risikoabschätzung für bestehende und für die Planung zukünftiger Aquakulturstandorte insbesondere in China liefern. Nicht zuletzt werden Ergebnisse unserer Forschung dazu beitragen, Auswirkungen des Klimawandels auf Küstenökosystem und mögliche Änderungen in der nachhaltigen Nutzung der Küsten zu bewerten.