StSP Ostsee: Die Bedeutung des Spurenmetalles Eisen für Massenentwicklungen der Cyanobakteriengattung Nodularia an der deutschen Ostseeküste

Stipendiatin/Stipendiat: Bianca Schubert

Please scroll down for an english versionEinleitung:Die massenhafte Entwicklung von Cyanobakterien (Blaualgen) im Wasser der Ostsee ist ein Phänomen, welches vor allem in den Sommermonaten (Juli-August) zu beobachten ist. Hierbei spricht man von AlgenblütenViele Cyanobakterien sind für Mensch und Nutztier potentiell giftig. Das Ziel ist es, vor allem das Auftreten und die Steuerung küstennaher Blüten besser zu verstehen. Die Grundzüge des Projektes werden im Folgenden erläutert. Was soll untersucht werden?? Überblick über das Auftreten von Nodularia-Blüten? Mikroskopische Zusammensetzung der Blütenereignisse? Einfluss von Eisen auf die Physiologie der Cyanobakterien? Einfluss von Eisenmangel auf die mRNA Expression des isiA GensWas ist Nodularia?? Ein fädiges CyanobakteriumCyanobakterien werden oft auch als Blaualgen bezeichnet. Obwohl es sich um Bakterien handelt, wurden sie früher aufgrund ihrer relativen Größe und ihrer grünen Färbung für Algen gehalten.Nodularia gehört zu den fädigen Vertretern dieser Gruppe. Die Fäden bestehen aus einer Kette von Einzelzellen und können gerade, unregelmäßig geknäult oder spiralig aufgewunden sein. Zu erkennen sind sie nur unter dem Mikroskop. ? HeterocystenHeterocysten sind spezialisierte Zellen, die es den Algen ermöglichen, den Luftstickstoff als Nährstoff zu nutzen. Das macht die Algen weitgehend unabhängig von der Zufuhr dieses wichtigen Nährstoffes aus dem Wasser. Daher treten Nodularia-Blüten vermehrt dann auf, wenn relativ niedrige Konzentrationen an Stickstoff, aber hohe Konzentrationen an einem weiteren wichtigen Nährstoff, dem Phosphor, auftreten. Warum sind Cyanobakterien ein Problem?Neben dem ästhetischen Problem, das Massenansammlungen von Algen für Badegäste darstellen, sind Blüten von Cyanobakterien besonders unerwünscht. Viele Cyanobakterien sind in der Lage, Toxine zu bilden. Wozu diese Toxinbildung dient, ist nicht genau bekannt. Das Toxin, das von Nodularia gebildet wird, ist ein Lebergift mit dem Namen Nodularin. Vereinzelt gibt es Meldungen über Vergiftungen von Rindern und Hunden (nach Ingestion des Wassers), die auf hohe Nodularia-Dichten zurückzuführen sind.AlgenblütenWie der Mensch, so benötigen auch Algen eine Vielzahl von Nährstoffen und Spurenele-menten, um wachsen zu können. Diese Elemente benötigen sie in einem ausgewogenen Verhältnis. Ist eines der Elemente nicht mehr ausreichend vorhanden, so zeigen die Algen Mangelerscheinungen und können nicht mehr ungehindert wachsen. Daher sollten die Mengen der wichtigen Nährstoffe, die der Mensch in die Gewässer einträgt, reduziert werden um somit eine Reduktion der Algenblüten zu erreichen. Wichtig ist, welche Nährstoffverknappung zu einem Wachstumsrückgang der Algen führt. Aufgrund von Heterocysten ist Nodularia weitgehend unabhängig von der Zufuhr von Stickstoffverbindungen aus dem Wasser. Daher treten Nodularia-Blüten vermehrt bei relativ niedrigen Konzentrationen an Stickstoff auf. Die Konzentration eines weiteren wichtigen Nährstoffes, des Phosphors, ist jedoch ein wichtiger Steuerfaktor für die Blütenbildung. Hohe Einträge von Phosphat in die Ostsee begünstigen daher Massenvorkommen von Nodularia. Ob es tatsächlich zu einer mit bloßem Auge sichtbaren Massenansammlung von Blaualgen kommt, wird jedoch auch entscheidend von der Witterung beeinflußt. Mit Hilfe von Gasblasen können die Algen an die Wasseroberfläche auftreiben und sich dort bei windstillem Wetter sammeln. Solche an der Wasseroberfläche treibenden Algenschwaden werden dann als ?Blüte? wahrgenommen. Im Sommer 2003 führte z.B. eine lang anhaltende Hochdruckperiode mit fast windstillen Sonnentagen zu einer hohen Anzahl an Algenblüten, die auch in küstennahen Gewässern beobachtet wurden. Ein Wetterumschwung brachte schließlich stärkere Winde, die die Algen wieder in der Wassersäule verteilten. Damit war das Problem für diese Saison beendet. Eisen als weiterer Steuerfaktor?Ein weiterer, möglicherweise wichtiger Nährstoff, der bisher kaum beachtet wurde, ist Eisen. Obwohl die Ostsee im Vergleich zu anderen Gewässern, wie z.B. dem Pazifischen Ozean, ein vergleichsweise eisenreiches Gewässer ist, kann Eisen für Blaualgenblüten doch eine wichtige Rolle spielen. Aufgrund der komplizierten Chemie von Eisen in Wasser steht nur ein geringer Teil des vorhanden Eisens für die Algen zur Verfügung. Unter den Bedingungen einer Blaualgenblüte sollte aber ein erhöhter Bedarf an diesem Spurenmetall herrschen. Durch die hohe Konzentration von Algen an der Oberfläche herrscht eine hohe Konkurrenz um die Nährstoffe. Nodularia kann zwar den Nährstoff Stickstoff aus der Luft gewinnen, dieser Prozeß erfordert aber einen hohen Einsatz an Eisen. Inwiefern Eisen einen weiteren Steuerfaktor für die Bildung von Nodularia-Blüten darstellt soll im Rahmen meiner Promotion untersucht werden. Gene bieten ReaktionsmöglichkeitenUm die Folgen einer Mangelsituation abzufedern stehen den Organismen in Form ihres genetischen Repertoirs verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung. Dabei gibt es sowohl allgemeine Stressreaktionen als auch spezifische genetische Antworten auf bestimmte Stresssituationen , z. B. auf Eisenmangel. Nachweis einer Mangelsituation durch Nachweis der mRNAVon den genetischen Information, die in der DNA gespeichert sind, wird eine Kopie erstellt, die so genannte mRNA. Diese wird dann in ein Protein übersetzt, welches wiederum dem Organismus ermöglicht, auf einen entsprechenden Umweltreiz zu reagieren und sich bestmöglich daran anzupassen. Erfolgt die Detektion einer spezifisch induzierten mRNA, lässt dies ggf. Rückschlüsse auf den Umweltreiz zu.Dieser Weg soll im Rahmen meiner Promotion beschritten werden. Mit Hilfe des unter Eisenmangel bei Cyanobakterien aktivierten Gens isiA soll ein möglicher Einfluß von Eisenmangel bei Nodularia-Blüten in der Ostsee nachgewiesen werden. Anhand von vor Ort konservierten Proben und Laborexperimenten mit natürlichem Probenmaterial soll der Einfluß des Nährstoffes Eisen auf Nodularia-Blüten in der Ostsee untersucht werden.Im Rahmen dieser Arbeiten ergibt sich im Rahmen des Stipendienschwerpunktes Ostsee durch den ähnlichen Untersuchungsgegenstand (Cyanobakterien) und teilweise gleiche, molekularbiologische Methoden eine besonders enge Zusammenarbeit mit Kathrin Witte VorgehensweiseDa für die Untersuchungen umfangreiches Probenmaterial benötigt wird , Blaualgenblüten oft aber nur lokal begrenzt auftreten, wird versucht, mit Hilfe eines Informationsnetzes, das aus zahlreichen, engagierten Helfern, die im Bereich der deutschen Ostseeküste tätig sind, Kenntnis von möglichst vielen Blütenereignissen zu erhalten. Daran sind natürlich auch jene DBU-Stipendiaten aus dem Stipendienschwerpunkt beteiligt, die Freilanduntersuchungen an der Ostseeküste vornehmen.Den vor Ort beteiligten Personen wurde ein Informationsblatt übermittelt, dass das Erkennen einer Blaualgenblüte erleichtern soll und die entsprechenden Kontaktadressen enthält.In der Saison 2002 konnten auf diese Weise 48 Proben aus Blaualgenblüten gewonnen werden, 2003 waren es sogar 77. Allen daran beteiligten Personen und Institutionen sei herzlich für ihre engagierte Hilfe gedankt.__________________________________________________________________________English version:Title: The significance of the micronutrient iron for cyanobacteria of the genus Nodularia under bloom conditions at the German part of the Baltic coast.duration of the project: 01.07.2002 to 31.06.2005place: University of Rostocksupervisor: Dr. Arne SchoorPhD-student: Bianca Schubert Introduction:Mass developments of cyanobacteria (blue green algae) are a common phenomenon during the summer period (July-August) in the Baltic Sea. This phenomenon is referred to as an algae bloom.Many cyanobacteria are toxic to human beings and domestic animals. The aim of this study is to better understand factors which influence appearance and development of algae blooms in coastal waters. Aims of the study? Overview of the occurrence of Nodularia blooms ? microscopically composition of the bloom events ? Influence of iron on the physiology of the cyanobacteria? Influence of iron limitation on the expression of the isiA mRNAWhat is Nodularia?? a filament forming cyanobacteriumCyanobacteria often are called blue-green algae. Although they are bacteria, because of their size and their green color in former times they were thought to be algae. Nodularia belongs to the filament-forming cyanobacteria. Filaments are composed of individual cells and can be straight, irregularly balled or coiled. They can be seen only under the microscope. ? HeterocystsHeterocysts are specialized cells that enable the algae to use nitrogen from the air as a nutrient. This makes the cells nearly independent from getting this important nutrient from water. Therefore, Nodularia-blooms appear particularly often, if relatively low concentrations of nitrogen, but high concentrations of phosphor, an other important nutrient, are present.Why can cyanobacteria become a problem?Besides the esthetically problem caused by mass developments of algae , cyanobacteria are especially undesired. Many cyanobacteria can produce toxins. Why they do this is not known exactly. The toxin produced by Nodularia is a liver poison called nodularin. Some cases of poisoning of cows and dogs (after drinking the water) probably caused by high densities of Nodularia have been reported.Algae bloomsLike human beings also algae need many nutrients and trace elements for growth. Those elements are needed in a special relation. If one of these elements is scarce, algae get symptoms of limitation and are not able to grow unlimited. To attempt an reduction of algae growth it is therefore useful to reduce the input of important nutrients to the waters. It matters to know the nutrients whose reduction will lead to a limitation of algae growth.Because of the heterocysts, Nodularia is mostly independent of taking nitrogen compounds from water. Therefore, it can grow and form blooms also at relatively low nitrogen concentrations. On the opposite, the concentration of phosphor, an other important nutrient is crucial for Nodularia-blooms. Thus a high input of phosphate into the Baltic Sea will enhance mass developments of Nodularia. Whether it really comes to a cyanobacterial bloom that can be seen with bare eyes also strongly depends on the weather. With the help of gas vesicles cells can get to the surface, where they accumulate if the weather is warm and calm. In summer 2003 for example, a long period with an stable high pressure area and nearly calm, sunny days lead to an extraordinary high number of algae blooms which did also come to coastal waters. When the weather changed and the wind increased, algae blooms disappeared, so for this season the problem had vanished. Iron as an additional factor controlling the blooms?An other nutrient which could be important in regulating algae blooms is iron. Although there is no cause to assume exceptionally low iron concentrations in the waters of the Baltic Sea compared to other waters like the pacific ocean, iron could play an important role for algae blooms in this waters. Because the chemistry of iron in water is rather complicated, the amount of iron available to the algae can differ considerably from the total concentrations. But under the conditions of an cyanobacterial bloom there should be an extraordinary high demand for this trace element. Because of the high cell densities competition should be high. Nodularia is able to use the air as a nitrogen source, but for this process a high amount of iron is needed. The question whether iron is an additional factor that influences the development of Nodularia blooms in the Baltic Sea should be examined in this project. Genes offer possibilities to reactTo face the situation of a nutrient limitation the organism has different possibilities in form of his genetic repertory. There are reactions to general stress situations as well as specific genetic answers to a special stress, for example to iron limitation. Detection of a limitation by detection of the mRNADuring the biosynthesis of proteins the organism makes a copy of his genetical information which is coded in its DNA. This copy is called mRNA. Then this copy is translated into a protein. The protein enables the organism to react to the environmental situation. The detection of a specific mRNA therefore can allow conclusions about the environmental situation. This should be done during this project. Using the gene isiA, which is induced under iron limiting conditions in cyanobacteria, a possible influence of iron limitation to Nodularia-blooms in the Baltic Sea will be investigated. Therefore samples immediately conserved in the field and experiments with natural bloom material are used. An especially good cooperation with another student of the Baltic Sea emphasis group of fellowship, Kathrin Witte, is given for this part because both projects have a similar object of investigation (Cyanobacteria) and some molecular methods in common. StrategyMany samples are needed for the study, but cyanobacterial blooms often appear only in limited scales of time and space. Therefore, an information network was created which is composed of many people working in the area of the German Baltic coast. Their information enables us to get knowledge of many bloom events. In this context a cooperation with other students of the Baltic Sea group of fellowships working in the field is realized. To support the people in this information network, a handout was created. In the season of 2002, 48 samples could be collected by this way, in 2003 there where even 77. We want to thank all persons and institutions who helped us with this.

Förderzeitraum:
01.07.2002 - 31.12.2005

Institut:
Universität Rostock
Institut für Aquatische Ökologie

Betreuer:
Dr. Arne Schoor

E-Mail: E-Mail schreiben

URL: www.paelitzhof.de

Eisenversorgung von Nodularia an der Ostseeküste
Eisenversorgung von Nodularia an der Ostseeküste