Kontrolle unerwünschter Algenblüten
Cyanobakterien oder blaugrüne Algenblüten sind ein weltweites Problem, das auf menschliche Aktivitäten wie z. B. Landwirtschaft und Klimawandel zurückgeht. Als Bedrohung für Süßwasser-Ökosysteme können sich die Algenblüten auch auf die menschliche Gesundheit und den Tourismus auswirken, weil Cyanobakterien Cyanotoxine produzieren, die zum Tod vieler Organismen oder sogar Ökosysteme führen. Besonders giftig ist das Hepatotoxin, das durch Microcystis, eine häufig dominante Gattung aus dem Stamm der Algen, produziert wird. Da wenig über die Populationsdiversität in Microcystis bekannt ist, wurde im Rahmen des Projekts MicroEcoEvol, das mit einem europäischen Marie-Skłodowska-Curie-Einzelstipendium finanziert wird, in Echtzeit untersucht, wie eine Microcystis-Population im nordamerikanischen Lake Champlain, auf Umwelt- und biologische Faktoren reagierte. Parallel dazu wandten Forscher Mesokosmosstudien zur Beobachtung der Blütedynamik unter Laborbedingungen an, wobei bestimmte Variablen kontrolliert wurden. „Reverse Ecology“ für die Blütevorhersage Unter Verwendung eines „Reverse Ecology“-Ansatzes – die Extraktion genomischer Informationen aus der Umwelt zur Erlangung neuer Erkenntnisse über ökologische Prozesse – bestimmte das Team erstmals das Potenzial für die Vorhersage von Blüten anhand biologischer Faktoren. „Aus Anwendungs- bzw. akademischer Sicht verwendeten wir einen Ansatz für maschinelles Lernen, um Biomarker der Blüten zu finden“, betont Dr. Nicolas Tromas, Fellow und leitender Forscher bei MicroEcoEvol. Die Ergebnisse zeigten, dass Blütenereignisse die Bakteriengemeinschaft signifikant verändern, ohne die Gesamtdiversität zu reduzieren. Dies legt nahe, dass eine bestimmte Mikrobengemeinschaft – einschließlich Nicht-Cyanobakterien – während der Blüte gedeiht. „Wir beobachteten zudem, dass sich die Gemeinschaft zyklisch über den Verlauf eines Jahres verändert, mit einem sich von Jahr zu Jahr wiederholenden Muster“, betont er. Dies bedeutet, dass die Daten, die von diesen aquatischen Mikrobengemeinschaften gesammelt wurden, zur Klassifizierung von Algen und zur Verbesserung von Vorhersagen hinsichtlich bspw. Zusammensetzung und Wiederholbarkeit genutzt werden können. Bedeutsamerweise untersuchten die Forscher unter Verwendung des CRISPR-Cas-Systems zur Bestimmung der Bedeutung der Phagentherapie für die Algenblütenvernichtung die Auswirkungen von Cyanophagen auf Microcystis-Populationen. Die Anwendung von Cyanophagen – natürlich vorkommende Viren, die Cyanobakterien infizieren – könnte eine aussichtsreiche Methode zur Kontrolle der Cyanobakterienblüte sein. Daten für andere wichtige Blüteprojekte Ausbrüche giftiger Algenblüten sind abgesehen von der Bedrohung für Mensch, Nutztier, Fisch und Wildtier extrem kostspielig und werden in den Vereinigten Staaten auf 825 Millionen US-Dollar beziffert. Besorgniserregend ist, dass in Kanada inzwischen eine steigende Zahl von Trinkwasseraufbereitungsanlagen als risikogefährdet erachtet wird, die durch die Großen Seen gespeist werden. MicroEcoEvol hat den Großteil der Ausgangsdaten für ein mit 12 Millionen US-Dollar ausgestattetes Projekt ATRAPP bereitgestellt, das Lösungen für das Giftalgenproblem in Kanada finden soll. „Wir entwickelten zudem einen neuen Ansatz für die Analyse von Cyanobakterienkolonien, der uns ein besseres Verständnis des Cyanobakterien-Mikrobioms ermöglicht“, merkt Dr. Tromas an. Aus Herausforderungen für die Zukunft lernen Aus der Sicht von Dr. Tromas eröffnete das Marie-Curie-Stipendium sowohl persönliche als auch berufliche Chancen. „Die Entwicklung lokaler und internationaler Zusammenarbeit war für den Erfolg dieses Projekts von essenzieller Bedeutung. Ich habe zudem durch die Beaufsichtigung mehrerer Studenten und Organisation mehrerer Konferenzen und Workshops in Montreal und Exeter meine Führungskompetenzen verbessert“, merkt er an. Das MicroEcoEvol-Team überwand mehrere technische Herausforderungen, insbesondere hinsichtlich der Isolierung und Kultivierung von Cyanobakterien für die In-situ-Mesokosmosstudien. „Man muss sich anpassen und eine Lösung für diese technischen Probleme finden, geduldig sein und bisweilen gar akzeptieren, dass man die Frist nicht einhalten wird. Da hilft nur, einen vorübergehenden Fehlschlag zu akzeptieren, den Grund dafür herauszufinden, neue Ideen zu kreieren und es erneut zu probieren“, lautet das Fazit von Dr. Tromas. In diesem Geist wird die Arbeit des Projekts mit neuen Forschungsmöglichkeiten, die sich aufgetan haben, fortgeführt, obwohl die finanzielle Unterstützung des Projekts endete.
Schlüsselbegriffe
MicroEcoEvol, Blaualgen, Ökosystem, Cyanophagen, Algenblüte, maschinelles Lernen, Biomarker, Phagentherapie
