Cyanobakterien: Problematik der Cyanobakterien aufgrund der Cyanotoxine

Problematik der Cyanobakterien aufgrund der Cyanotoxine

Bakterien gelten neben Viren häufig als Ursache gesundheitlicher Beschwerden, meist im Zusammenhang mit Infekten oder Ähnlichem, bei denen sich die Bakterien im Körper des Geschädigten ausbreiten und ihn als Nahrungsquelle nutzen. Heutzutage lassen sich viele typische Bakterienerkrankungen durch diverse Antibiotika heilen, weil Antibiotika gezielt Bakterienzellen angreift, ohne auf eukaryotische bzw. menschliche Zellen diese Wirkung zu entfalten.

Auch aufgrund von Cyanobakterien wird häufig von gesundheitlichen Risiken gesprochen, da auch diese für Menschen und Tiere schädlich oder gar tödlich wirken können. Jedoch nicht, weil die Cyanobakterien sich im Körper des Betroffen vermehren und diesen als Nahrungsgrundlage nutzen, sondern durch die von den Cyanobakterien produzierten Cyanotoxine.

Cyanotoxine

Cyanotoxine treten in verschiedenen Cyanobakterien auf, da dies eine spezielle Anpassung an die von den Bakterien besiedelte ökologische Nische darstellt. Als die drei wichtigsten Vertreter der Gift-produzierenden Cyanobakterien gelten die Arten Anabena, Aphanizomeno und Nodularia spumigena. Bei Kontakt mit Cyanotoxinen weisen die Probanden je nach persönlicher Empfindlichkeit, Dosierung und Art des Giftes ein weites Krankheitsbild auf. So reichen die Symptome von Beeinträchtigungen des Geruchs- und Geschmackssinnes, über allergische Reaktionen, Reizungen der Haut, der Schleimhäute und Reizungen innerhalb des Verdauungstraktes bis zu Wirkungen auf einzelne Organe, wie zum Beispiel die Leber oder das Nervensystem, durch die im schlimmsten Falle auch der Tod der betroffenen Person zustande kommen kann.

Die geruchlichen und geschmacklichen Probleme verursacht durch die Blaualgen, entstehen vor allem durch die abgestorbenen Bakterienzellen, aus denen, nach deren Ableben, durch die allmählich sich auflösende Zellstruktur, diverse Stoffwechselprodukte austreten. Diese Stoffe weisen zum Teil Gerüche auf, die für Menschen unappetitlich wirken können. In der Regel werden die Gerüche von erdig über ranzig bis fischig beschrieben, was meiner Ansicht nach auch Überschneidungen mit dem Geruchsspektrum der meisten natürlichen Wasservorkommen aufweist und damit die These stützt, dass Cyanobakterien in allen Gewässern der Welt vorkommen.

Des Weiteren kann der Kontakt mit Cyanobakterien wie oben genannt zu allergischen Reaktionen seitens der Versuchspersonen führen. Allergien bilden sich gewöhnlich durch eine fehlgeleitete Immunreaktion aufgrund des Kontaktes mit einem bestimmten Antigen, d.h. einem speziellem Protein, eines eigentlich harmlosen Stoffes. Proteine kommen in jedem Lebewesen vor und damit auch in den Cyanobakterien, deshalb ist hier das Auftreten von Allergien kein Sonderfall. Allergien zeichnen sich in der Regel durch überempfindliche, entzündliche Reaktionen des Körpers einzelner Individuen auf gewisse Stoffe aus, auf die der erheblich größere Teil der Population ohne Immunreaktion reagiert, ohne Schaden zu nehmen. Die Intensität der Allergiereaktionen kann von Betroffenem zu Betroffenem sehr unterschiedlich ausfallen, so stellen die Allergiereaktionen aufgrund von Cyanobakterien hier keine Ausnahme dar, denn von lediglich geringer Sensibilität gegenüber den Blaualgen bis zu lebensbedrohenden Überreaktionen des Immunsystems sind hier keine Grenze gesetzt.

Außerdem kann es durch Kontakt zu gewissen Cyanobakterien aufgrund ihrer Cyanotoxine zu Reizungen der Haut und Schleimhäute kommen, da es bei Versuchen eine signifikante Zahl von Versuchsausgängen zu einem eindeutigen Ergebnis kam. Denn nach einer gewissen Zeit bildeten sich auf dem mit den Cyanobakterien in Kontakt gekommenen Gewebe zahlreiche entzündete Bläschen und auch innerhalb des Körpers kam es zu Entzündungen im Bereich der Schleimhäute und des Verdauungstraktes, was meiner Ansicht nach auf das Verschlucken von belastetem Wasser zurückzuführen ist, da dieses eben den Körper durch den Verdauungstrakt passiert.

Neben den schon genannten gesundheitlichen Risiken, die bestimmte Stoffe der Cyanobakterien darstellen, gibt es noch weitere Gefahren, die von speziellen Cyanotoxinen ausgehen. Hierzu stellen die Gifte der Blaualgen deren toxische Wirkung sich auf ein einzelnes Organ beschränkt, eben Leber und Nervensystem, einen besonders erwähnenswerten Punkt dar.

Zunächst lassen sich die eben genannten Toxine in zwei Gruppen nach ihrem Wirkort im Körper höherer Tiere bzw. im Körper von Menschen einteilen. Zum einen in die Hepatotoxine und in die Neurotoxine.

Zu den Hepatotoxine (gr. hepato = Leber) zählen die Gifte, die ihre toxische Wirkung nur in der Leber entfalten und dort Schaden verursachen. Diese Toxine lassen sich in der Regel zu den sekundären Stoffwechselprodukten (Stoffe, die produziert werden, jedoch ohne unmittelbar für das Wachstum oder die Fortpflanzung des Lebewesens von Nutzen sind) zählen, genauer den Alkaloiden (meist basische, stickstoffhaltige Moleküle mit Wirkung auf Menschen und Tiere) und den zyklischen Peptiden.

Die Hepatotoxine hemmen in der Leber vor allem die Proteinbiosynthese, dadurch kommt es bei betroffenen Menschen in der Regel zu Diarrhö, zu Erbrechen und zu Schmerzen im Bauchbereich. Bei hoher Giftdosis können die Hepatotoxine jedoch auch tödlich sein, wie in Tierversuchen ermittelt wurde, denn die Giftwirkung einzelner Cyanotoxine übersteigt zum Beispiel die des bekannten Strychnin. Auch bei geringen Dosen kann die Langzeitwirkung der Hepatotoxine verheerende Wirkungen aufweisen, denn Untersuchungen haben gezeigt, dass durch die Einnahme dieser Cyanotoxine über längere Zeit das Risiko für die Entwicklung von Leberkrebs stark erhöht ist, daher sollte der Kontakt mit diesen Giften auf jeden Fall vermieden werden.

Neben den Hepatotoxinen bergen aber auch die Neurotoxine der Cyanobakterien Gefahren für Mensch und Tier, da diese im Nervensystem wirken. Diese Neurotoxine weisen verschiedene Wirkmechanismen auf, gemeinsam ist ihnen jedoch, dass sie zu Lähmungen führen können.

Es kann zum einen zur Lähmung des Körpers kommen, weil die Natrium-Kanäle der Nervenbahnen verschlossen werden. Dadurch kommt es zu einer Entspannung im Körper, weil keine Signale durch das Nervensystem mehr geleitet werden. Dies kann schließlich aber auch zum Atemstillstand führen und dadurch einen tödlichen Ausgang nehmen. Das Saxitoxin ist ein Vertreter der Cyanotoxine, was eine solche Wirkung aufweist. Die beschriebene Wirkung ähnelt auch der Wirkung des bekannten Tetrodotoxin, dem Gift des Kugelfisches.

Es gibt jedoch auch andere Wirkungsmechanismen unter den Neurotoxinen der Cyanobakterien, denn manche von ihnen weisen ähnliche Strukturen zum Neurotransmitter „Acetylcholin“ auf oder hemmen die Acetylcholinesterase. Dadurch unterscheiden sie sich von den oben besprochenen Neurotoxinen. Denn die Lähmung rührt nicht daher, dass keine Signale mehr durch das Nervensystem geleitet werden, sondern aufgrund der zu großen Zahl an Signalen die ständig in den Nervenbahnen verschickt werden. Deshalb führt diese Art von Toxinen nicht zu einer Entspannung des Körpers, sondern zu einer Krampflähmung, die den Körper enorm schädigen kann und auch hier den Tod bedeuten kann. EinVertreter dieser Cyanotoxine ist das Anatoxin.

Obwohl sich die beiden genannten Arten von Neurotoxinen in ihrer Wirkung eigentlich entgegenwirken, heben sie sich nicht gegenseitig auf, was meiner Ansicht nach zum Teil darauf zurückzuführen sein könnte, dass die Gifte in verschiedenen Cyanobakterien in unterschiedlicher Konzentration produziert werden und sich damit auf ein gewisses Gift spezialisiert wird.

Risikobereiche für den Menschen

Auch der Mensch kann unter den oben genannten Wirkungen der Cyanobakterien leiden. Es ergeben sich jedoch unterschiedliche Situationen in denen Menschen in der Regel Schaden durch Cyanobakterien nehmen und auch das Ausmaß dieses Schadens hängt von der jeweiligen Kontaktsituation ab.

Vergiftungen in Badegewässern

In Deutschland ist die Giftwirkung bestimmter Cyanobakterien besonders daher bekannt geworden, dass über Badestrände ein Badeverbot verhängt wurde. Dies geschieht vor allem, wenn es zu einer sogenannten Algenblüte im strandnahen Gewässer kommt. Die Algenblüte beschreibt eine Art Algen- bzw. Blaualgenteppich an der Wasseroberfläche, denn manche Cyanobakterien sind aufgrund ihrer Gasvakuolen fähig an der Wasseroberfläche zu treiben. Blaualgenblüten entstehen in der Regel, wenn es im Gewässer zu einer starken Vermehrung der Cyanobakterien kam und diese von Strömungen oder Wind zusammen getragen wurden. Aufgrund der Färbung kann man eine Algenblüte gut erkennen, da in der Regel eine starke Grün-, Blau- oder Rotfärbung vorliegt.

Durch das Absterben der Cyanobakterien können die oben genannten Giftstoffe ins Wasser gelangen und aufgrund der hohen Dichte der Bakterien in den Algenblüten kann in dem umgebenden Wasser eine sehr hohe Konzentration von Toxinen vorliegen, was für die badenden Personen eine Gefahr darstellt.

Da man beim Baden mit einem Großteil der Haut in Wasserkontakt kommt, wird besonders diese von den Toxinen betroffen werden. Doch bei jedem Schwimmen wird auch stets etwas Wasser verschluckt, womit die Beschwerden des Erkrankten ausgeweitet werden und auch die Intensität der Erkrankung zunimmt. Besondere Vorsicht ist bei Kindern geboten, denn diese schlucken bei Badeaufenthalten eine erheblich größere Menge an Wasser, was zusammen mit ihrer geringeren Körpermasse schneller zu Vergiftungserscheinungen führen kann. In Deutschland wird jedoch relativ früh durch Badewarnungen informiert, falls sich Risiken hinsichtlich von Algenblüte ergeben sollten und auch deswegen ist es bisher in Deutschland noch zu keinen Vergiftungen gekommen. Trotzdem sollte man, meiner Ansicht nach, nicht in Gewässern baden, die einen starken Algenbewuchs an der Wasseroberfläche aufweisen, unabhängig von einer behördlichen Warnung.

Belastung von Trinkwasser

Neben dem oben genannten Risiko, das in Badegewässern aufgrund der Algenblüte besteht, kann es auch zu Gefahren durch das Trinkwasser kommen. In einigen Ländern wird das Trinkwasser zum Großteil aus Oberflächenwasser gewonnen. In Skandinavien und in Polen, aber auch in südlichen, teilweise armen Ländern werden große Mengen an Trinkwasser aus Oberflächenwasser bezogen, daher ist dort die von Cyanobakterien ausgehende Gefahr für die Bevölkerung viel größer als in Deutschland, wo nur ein vergleichsweise geringer Teil des Trinkwassers (circa 20%) auf diese Art gewonnen wird. Beim Verwenden von belastetem Trinkwasser sind die gesundheitlichen Risiken weit höher als beim Baden in dem selbigen, denn hierbei nimmt man eine weit größere Menge oral auf und wahrscheinlich auch über einen längeren Zeitraum, da die Folgen zum einen bei Hepatotoxinen erst spät erkannt werden und zum anderen die Ursachen für die gesundheitlichen Beschwerden spät gefunden werden. Damit ist die Gewinnung des Trinkwassers aus Oberflächenwasser meiner Ansicht nach bedenklich. Besonders in armen Ländern ist die Situation meiner Meinung nach besorgniserregend, denn häufig befinden sich diese Länder in warmen Breiten, wodurch das Algenwachstum dort sehr schnell von statten geht. Außerdem verfügt man dort häufig nicht über andere Möglichkeiten, um an Trinkwasser zu gelangen, als eben durch Oberflächenwasser. Weiterhin ist die Technologie dort meist nicht ausreichend, um eine wirkliche Aufbereitung des Wassers zu gewährleisten und häufig scheint die Regierung solcher Staaten auch nicht daran interessiert zu sein, eine seriöse Untersuchung und Verbesserung der Lage vorzunehmen. Deshalb ist meiner Ansicht nach die Situation der Menschen der Dritten Welt besonders beklagenswert, da hier große Mengen des zur Verfügung stehenden Wassers jederzeit durch Cyanotoxine belastet sein können und damit zur Vergiftung vieler Menschen führen kann.

Ursachen für die starke Vermehrung der Bakterien

Algenblüte entsteht bei einer sehr hohen Populationsdichte dieser Organismen, deshalb haben sich Forscher mit den Ursachen starker Vermehrungen von Cyanobakterien und Algen befasst und haben dies früher hauptsächlich nur mit einem Phänomen, der Eutrophierung, in Verbindung gebracht.

Eutrophierung der Gewässer

Bekanntermaßen benötigen Pflanzen und andere Photosynthetiker, zum Beispiel die Cyanobakterien, für ihr Überleben Nährsalze. Bei höherer Nährstoffkonzentration ist auch ein schnelleres Vermehren von diesen möglich und auch die Populationsgröße kann gesteigert werden. Damit hängt, wie in 2.7 bewiesen, die Vermehrung der Cyanobakterien mit dem vorhandenen Nährstoffetat zusammen. In diesem Zusammenhang ist die Eutrophierung ein wichtiger Begriff.

Laut Wikipedia bezeichnet „Eutrophierung [bezeichnet] allgemein die Anreicherung von Nährstoffen in einem Ökosystem oder einem Ökosystemteil[.]“. Zum einen findet die Eutrophierung der Gewässer in geringem Maße auf natürliche Weise statt, jedoch wird der weitaus größere Teil durch das menschliche Handeln geschaffen. Zum einen sorgen die Abwässer bei direkter Einleitung in Gewässer für eine Anreicherung von Nährsalzen im Wasser, der größte Teil der Eutrophierung stammt jedoch aus der Landwirtschaft. Schon seit langer Zeit beschäftigt sich der Mensch mit der Steigerung seiner Felderträge. Dabei hat er die Entdeckung gemacht, dass die Düngung der Felder ein besseres Wachstum der Pflanzen zur Folge hatte. Deshalb wurde Dünger immer wichtiger und schließlich wurden auch Kunstdünger hergestellt. Da unter anderem durch Regen der Dünger aus den Feldern gewaschen wird, gelangt dieser mit dem Wasser in Bäche, Flüsse und Seen. Dort kann sich der Dünger ansammeln und es entsteht ein eutropher See, ein See der über ein reiches Angebot an Nährsalzen verfügt. Dies sorgt für ein starkes Wachstum der Algen, Wasserpflanzen und auch der Cyanobakterien. Deshalb wird durch Eutrophierung die Bildung von Algenblüte unterstützt, denn die Photosynthetiker können sich in eutrophierten Gewässern weit besser vermehren als in Oligotrophen. Damit ist die Eutrophierung der Gewässer eine sehr wichtige Ursache für die Vermehrung der Cyanobakterien, jedoch wurden seit den 1970er Jahren Maßnahmen in Deutschland ergriffen um die Eutrophierung zu stoppen. Diese Aktionen haben auch Wirkung gezeigt. So sind heute weniger Seen eutrophiert und auch die Cyanobakterienpopulation halten sich in diesen Seen in Grenzen.

Klimawandel

Neben der Eutrophierung spielt auch der Klimawandel eine wichtige Rolle bei der Ausbreitung von Cyanobakterien. Durch den Klimawandel erhöht sich die Temperatur zahlreicher Gewässer und aufgrund der Brownschen Molekularbewegung können sich Bakterien bei wärmeren Temperaturen schneller vermehren. Daher begünstigt die Klimaerwärmung die Vermehrung der Cyanobakterien. So können sich neue Arten von Blaualgen, die ursprünglich aus wärmeren Regionen der Erde stammen, in anderen Gegenden ausbreiten. Zum Beispiel wurden in brandenburgischen Seen Cyanobakterien entdeckt, die eigentlich in tropischen Gewässern vorkommen. Dies scheint aufgrund der erhöhten Wassertemperatur ermöglicht worden zu sein und deshalb fördert der Klimawandel die Ausbreitung von Blaualgenarten in neue Gebiete und auch allemein die Vermehrung der Cyanobakterien, wie global zu beobachten ist, aufgrund der steigenden Gewässertemperatur.

Methoden zur Lösung des Cyanobakterienproblems

Um der starken Vermehrung von Cyanobakterien in Seen entgegen zu wirken, bieten sich verschiedene Strategien an. Zum Einen sollte die Eutrophierung gestoppt werden, zum anderen kann man sich der Biomanipulation bedienen.

Um die Eutrophierung der Seen zu vermindern, sollten die Abwässer, die in Gewässer eingeleitet werden, unbedingt durch eine moderne Kläranlage geleitet werden. Denn dort wird eine große Menge der Nährstoffe aus den Abwässern gefiltert. Bei Seen bietet es sich an eine Ringkanalisation zu installieren, um ungeklärte Abwässer zu sammeln und in Kläranlagen zu reinigen. Auch sollte darauf geachtet werden, dass in der Landwirtschaft in vernünftigen Maß gedüngt wird und in der Nähe der Gewässer gegebenenfalls auf die Düngung verzichtet werden sollte. Mit diesen Maßnahmen kann man die Eutrophierung des betroffenen Sees reduzieren und damit auch der starken Vermehrung der Cyanobakterien und der Pflanzen entgegenwirken.

Weiterhin kann man wie oben genannt auch mit Hilfe der Biomanipulation die Populationsgröße der Cyanobakterien verkleinern, indem man Einfluss auf das Ökosystem des Sees nimmt. Betrachtet man das Ökosystem See unter dem Aspekt der Nahrungspyramide betrachtet, lassen sich die Cyanobakterien und die Algen zur Stufe der Primärproduzenten zusammenfassen. Von ihnen ernähren sich die Primärkonsumenten, die Planktonkrebse. Diese bilden wiederum die Nahrungsgrundlage der Friedfische, welche wiederum als Nahrung der Raubfische dienen. Es gilt, je mehr Raubfische, desto weniger Friedfische, je weniger Friedfische, desto mehr Planktonkrebse und je mehr Planktonkrebse, desto weniger Algen und Cyanobakterien. Also gilt hier das Prinzip der negativen Rückkopplung. Dies kann man sich zunutze machen, indem man durch Einsetzen von Raubfischen die Zahl der Friedfische stark vermindert, was über die steigende Zahl der Planktonkrebse zu einer kleiner werdenden Population der Primärproduzenten führt. Auch durch konventionelles Abfischen der Friedfische kann derselbe Effekt erreicht werden.

Es bietet sich außerdem an den Lebensraum für Raubfische und Planktonkrebse vorteilhafter zu gestalten und dadurch nachhaltig deren Population stabil zu halten, indem man den Seegrund mit Wasserpflanzen versieht um den gewünschten Arten Schutz zu bieten.

In diesen Methoden sollten geeignete Maßnahmen zur Bekämpfung großer Cyanobakterienbestände zu finden sein, denn diese Strategien werden auch in realen Fällen genutzt, um der Blaualgenausbreitung entgegen zu wirken.

Beispiel des Altmühlsees

Neben den Brombachseen leiden auch andere Seen des Fränkischen Seenlandes unter starken Bewuchs von Cyanobakterien. Der Altmühlsee ist zum Beispiel stark davon betroffen. Da seine Umgebung zum Großteil landwirtschaftlich genutzt wird, ist die Eutrophierung des Altmühlsees besonders stark. Außerdem führt der See, aufgrund seiner geringen Tiefe von durchschnittlich zwei Metern und der damit verbundenen hohen Temperatur in den Sommermonaten, zu einem sehr ausgeprägten Wachstum der Cyanobakterien. Da der See gewöhnlich auch zu Freizeitzwecken genutzt wird, ergeben sich jedoch Probleme, da wie vorher beschrieben die Cyanobakterien aufgrund ihrer Toxine die Nutzung des Sees stark behindern.

Um die Freizeitnutzung des Altmühlsees wieder uneingeschränkt aufnehmen zu können, hat man sich deshalb darauf geeinigt die gerade beschriebenen Maßnahmen auf den Altmühlsee anzuwenden. Im September des Jahres 2009 wurde verkündigt, dass im See wieder ohne Risiko gebadet werden kann, jedoch wird sich in der Zukunft herausstellen, ob die Methoden im Altmühlsee langfristig erfolgreich sein werden.

---