Oder-Katastrophe: Was wissen wir über die Goldalge Prymnesium parvum?

Beschreibung: 
Was ist Prymnesium parvum?

Prymnesium parvum ist eine einzellige Mikroalge, die 5 bis 10 Mikrometer (µm) lang und 4 bis 7 µm breit ist. Mittels ihrer zwei gleichlangen Geißeln, den Flagellen, kann die Alge sich im Wasser aktiv fortbewegen. Sie verfügt darüber hinaus über ein Halteorgan, das sogenannte Haptonema, mit dem sie sich an Beuteorganismen und anderen Oberflächen festhalten kann. 

Von Prymnesium parvum existieren mindestens 40 genetisch unterscheidbare Stämme, die unterschiedliche Mengen an Erbgut aufweisen und spezifische Giftstoffe produzieren. Der Name „Prymnesium parvum“ stellt somit einen Sammelbegriff für recht unterschiedliche Stämme bzw. Typen der Gattung Prymnesium dar. Der Genotyp von Prymnesium, der im Sommer 2022 zu den verheerenden Schäden in der Oder führte, gehört zum sogenannten B-Typ.

Wie für Pflanzen typisch, kann sich Prymnesium autotroph ernähren, also Photosynthese betreiben. Zusätzlich kann diese Mikroalge sich allerdings auch von organischem Material (heterotroph) ernähren, insbesondere von anderen Organismen. Es ist bekannt, dass sich Prymnesium bei einem Mangel an den Nährstoffen Stickstoff und Phosphor verstärkt heterotroph ernährt.

Verbreitung: 
Wo tritt Prymnesium parvum auf?

Die Alge ist weltweit in Brackwasser verbreitet, woher regelmäßig Massenentwicklungen mit Fischsterben berichtet werden. Sie wird deshalb zur ökologischen Gruppe der Brackwasseralgen gerechnet. Prymnesium kann aber auch – dann aber in deutlich geringeren Konzentrationen – im Ozean und im Süßwasser leben. Vorkommen wurden unter anderem in Europa, Nordamerika, Südamerika, Australien und Asien dokumentiert. Vor der Umweltkatastrophe in der Oder war es unter anderem in stark salzhaltigen Talsperren im Süden der USA bereits mehrfach zu massivem Fischsterben durch Prymnesium gekommen.

Auch in Europa war die Alge bereits heimisch, bevor sie 2022 erstmals in der Oder massenhaft gefunden wurde. Toxische Massenblüten traten beispielsweise in norwegischen Fjorden, aber auch im verstärkt salzhaltigen englischen Fluss Thurne und im Jasmunder Bodden auf. Im Unterschied zur Oder weisen diese Gewässer allerdings einen natürlich erhöhten Salzgehalt auf. Die einzige bekannte Massenentwicklung in einem natürlichen Süßgewässer außerhalb des Flusssystems der Oder ereignete sich in einem durch Industrie verunreinigten Fluss im Nordosten der USA. 

Massenentwicklungen planktischer Algen brauchen günstige Wachstumsbedingungen über mehrere Wochen. In frei fließenden, nicht künstlich aufgestauten Fließgewässern sind Massenentwicklungen unmöglich, da das Wasser der Flüsse in diesem Zeitraum in der Regel bereits ins Meer gelangt ist. 

Während der Umweltkatastrophe im Sommer 2022 vermehrte sich die Alge in der 
Oder massenhaft auf mehr als 100 Millionen Zellen pro Liter Flusswasser, wobei der Gleiwitzer Kanal und benachbarte Speicherbecken von besonderer Bedeutung waren. Seither hat sich Prymnesium im Odersystem etabliert. Bei Beginn der IGB-Messungen im Rahmen des ODER~SO-Projekts im März 2023 wurde Prymnesium in geringen Konzentrationen in der Oder festgestellt, die Alge hat sich aber seither nicht wieder in Massen vermehrt. Die maximale Dichte entsprach im untersuchten Flussabschnitt im Sommer 2023 nur etwa einem Hundertstel der Dichte vom August 2022. Auch wenn solche Prymnesium-Konzentrationen zu gering für ein Massensterben von Fischen oder Muscheln sind, können sie möglicherweise das Wachstum und die Fitness anderer Organismen wie Zooplankton stark beeinträchtigen.

Im Sommer 2023 wurden Prymnesium-Zellen auch in Einzelproben aus Gewässern des Spree-Havel-Systems nachgewiesen, allerdings in geringen Dichten. Diese entsprachen nur etwa einem Tausendstel der Algendichte, die im August 2022 in der Oder gemessen wurde. Negative Auswirkungen waren dort dementsprechend nicht zu beobachten.

Prymnesium kann beispielsweise über Wasservögel, an Booten, Gummistiefeln oder durch Fischereigeräte wie Angeln oder Kescher unbemerkt von einem Gewässer in ein anderes geraten. Sogar eine Verbreitung in Aerosolen, kleinsten Schwebeteilchen in der Luft, ist aufgrund ihrer winzigen Größe möglich. Für Prymnesium gilt wie für alle Mikroalgen: Sie kann überallhin gelangen, aber sich nicht unter allen Bedingungen massenhaft vermehren.

Wachstumsbedingungen: 
Wie kommt es zu Massenentwicklungen von Prymnesium parvum?

Wie schnell Prymnesium sich vermehren kann, hängt nach aktuellem Forschungsstand von mindestens sechs Faktoren ab: der Wasserverweilzeit, dem Salzgehalt, der Lichtversorgung, der Wassertemperatur, dem Vorhandensein von Algen-Viren und dem Gehalt von Nährstoffen wie Stickstoff und Phosphor im Wasser. Genauere Parameter für das Wachstum der Alge werden derzeit noch erforscht.

Prymnesium toleriert Salzgehalte zwischen 0,5 PSU (Maßeinheit: Practical Salinity Unit) und 30 PSU. Bei einem Salzgehalt von über 34 PSU, wie er typischerweise im offenen Meer vorkommt, kann sie in Laborversuchen nicht wachsen. Nach bisherigen Untersuchungen am IGB wächst der Stamm aus der Oder am besten bei 2-5 PSU, während der Salzgehalt der Oder ohne Einleitungen bei unter 0,5 PSU liegen würde.

In Abhängigkeit vom Salzgehalt des Wassers vermehrt sich die Alge bei Wassertemperaturen zwischen 20 °C und 30 °C besonders schnell. Viele Massenentwicklungen mit Toxin-Bildung wurden aber bereits bei Wassertemperaturen zwischen 7 °C und 15 °C beobachtet, deren Wachstum dann mehr Zeit benötigt.

Unter idealen Bedingungen wie einem erhöhten Salzgehalt, viel Licht, warmem Wasser und hinreichend hohen Gehalten an Stickstoff und Phosphor vermehrt sich Prymnesium sehr schnell: Für eine Verdoppelung ihrer Biomasse braucht die Alge dann nur wenige Tage. Solche Bedingungen begünstigen eine Massenentwicklung der Alge.

Massenentwicklungen von Prymnesium wurden bisher in Seen und Stauseen mit einer Salinität von 0,74 - 20 PSU dokumentiert, und in Flüssen mit einer Salinität von 0,9 - 3 PSU. Prymnesium kann sich in strömungsberuhigten Bereichen wie Stauhaltungen, aber auch in geringerem Maße in frei fließenden Flussabschnitten vermehren. Dabei spielt die Wasserverweilzeit bzw. die Durchflussrate eine Schlüsselrolle für das Wachstum und die Verbreitung der Alge.

Toxizität: 
Was macht Prymnesium parvum so gefährlich?

Prymnesium produziert unter bestimmten Umständen Zellgifte, so genannte Prymnesine, durch die konkurrierenden anderen Algenarten, Fressfeinde und andere Tiere geschädigt oder getötet werden. Dabei profitiert Prymnesium von den dann freigesetzten Nährstoffen. Die Prymnesine zerstören die Kiemen von im Wasser lebenden Organismen und gelangen danach in deren Blut und innere Organe, die sie zersetzen. Fische sterben an Sauerstoffmangel und Kreislaufversagen, nachdem das Gift ihre roten Blutkörperchen zerstört hat. 

Diese Gifte töten auch Muscheln und mit Kiemen atmende Wasserschnecken. Wie verschiedene Gruppen des Zooplanktons – also tierische Kleinstlebewesen, die im Wasser schweben – auf Prymnesine reagieren, ist bisher wenig bekannt, wird aber untersucht. Gemäß derzeitigem Wissensstand können bereits Prymnesium-Konzentrationen um 1 Mio. Zellen/Liter negative Auswirkungen auf das Wachstum und die Fortpflanzung von Zooplankton haben. Auch für Amphibienlarven liegen sehr wenige Forschungsergebnisse vor. 

Die Frage, unter welchen genauen Bedingungen die Alge ihr Gift produziert und abgibt, ist aktuell Gegenstand der Forschung. Wissenschaftler*innen überprüfen unter anderem mögliche Zusammenhänge mit der Dichte der Prymnesium-Blüte oder der Anzahl von vorhandenen Fressfeinden. Auch der Einfluss des Nährstoffgehalts oder einer plötzlichen Änderung des Salzgehalts im Wasser wird untersucht. 

Klar ist bereits: Die Umweltbedingungen für das Wachstum der Alge unterscheiden sich von denjenigen, unter denen sie toxisch wird.

Gegenmaßnahmen: 
Wie könnten giftige Prymnesium-Blüten in der Oder und anderen Gewässern verhindert oder eingedämmt werden?

Die natürlichen Fressfeinde von Prymnesium sind – wie von allen Planktonalgen – unter anderem räuberische Einzeller, Rädertiere, Wasserflöhe und Muscheln. Außerdem können Parasiten wie Pilze oder Viren eine Prymnesium-Blüte dezimieren. Bei günstigen Bedingungen einschließlich geeigneter Salzkonzentrationen vermehrt sich Prymnesium aber deutlich schneller als Algenzellen absterben, wodurch es zu einer Massenentwicklung kommt.

Daher wäre die wirksamste Vorsorgemaßnahme gegen weitere Prymnesium-Massenentwicklungen in der Oder, den Salzgehalt des Flusses auf ein für die Brackwasseralge Prymnesium weniger förderliches Niveau zu senken – insbesondere in den Sommermonaten. Ein Grenzwert hierfür existiert noch nicht, soll aber auf Basis neuer Untersuchungen vorgeschlagen werden. 

Eine Verringerung der Konzentrationen der Pflanzennährstoffe Phosphor und Stickstoff in der Oder, die hauptsächlich über unzureichend geklärtes Abwasser und durch die Landwirtschaft eingetragen werden, würde das Risiko weiterer Prymnesium-Massenentwicklungen ebenfalls etwas reduzieren, dies ist jedoch nicht kurzfristig umsetzbar.

Die Bekämpfung einer Prymnesium-Massenentwicklung mittels Wasserstoffperoxids und des Fällungsmittels Eisenchlorid wurde im Nachgang der Oder-Katastrophe in Polen getestet. Laut Berichten können diese Maßnahmen lokal die Prymnesium-Dichte senken. Eine nachhaltige Wirkung wird aus IGB-Sicht damit jedoch nicht erreicht, zumal eine Bekämpfung in fließendem Wasser aufgrund der erforderlichen großen Chemikalienmengen nicht denkbar ist und negative Nebenwirkungen auf andere Wasserorganismen hätte. 

Wie alle Algenblüten benötigen auch jene von Prymnesium zu ihrer Entwicklung eine lange Wasserverweilzeit. Algenblüten entstehen daher in stehenden oder langsam fließenden Nebengewässern und Stauhaltungen. Sie dort lokal zu bekämpfen und nicht in die Oder abzulassen, kann Katastrophen vorbeugen, beseitigt aber nicht deren Ursachen.

Ein Prymnesium- und generell Algen-Monitoring, entweder mittels Fernerkundung oder durch Probenahmen in Gewässern, ermöglicht frühere Vorwarnungen. Die Gegenmaßnahmen und Reaktionsmöglichkeiten sind allerdings beschränkt. 

Im Fall von Giftkatastrophen in Flüssen spielen Neben- und Auengewässer eine wichtige Rolle als Refugial- und Wiederbesiedlungshabitate für die Flussfauna. Diese bieten der Fischfauna und weiteren mobilen Organismen Zugang zu Rückzugs-, Laich- und Aufwuchsgebieten. Eine Eintiefung der Stromsohle durch wasserbauliche Maßnahmen wirkt der seitlichen Vernetzung entgegen und der Kontakt zu den Nebengewässern geht verloren, insbesondere während der sommerlichen Niedrigwasserperioden.

Eine Eintiefung der Oder für die Schifffahrt beeinträchtigt außerdem die Selbstreinigungsfähigkeit des Flusses, weil sich dadurch die Kontaktflächen zum Sediment verringern. Die Oder würde in der Folge weniger resilient gegenüber Verschmutzungskatastrophen und den Auswirkungen des Klimawandels werden. Naturnahe bzw. renaturierte Gewässer sind zukünftigen Herausforderungen besser gewachsen. Rein technische Lösungen sind teuer und wenig flexibel. Hingegen lassen sich bei der Anwendung von naturbasierten Lösungen erhebliche Synergieeffekte zwischen Schutz und Nutzung von Fließgewässern und ihren Auen erreichen.

Die Informationen stehen als IGB Fact Sheet im PDF-Format zum Download zur Verfügung.