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Artenvielfalt auf dem Rückmarsch

Artenvielfalt auf dem Rückmarsch

Wie Umweltstress das Leben in Fließgewässern gefährdet

von Julia Weiler  

2. Mai 2014

 

Über 1.000 verschiedene Tierarten leben typischerweise in einem gesunden deutschen Bach. Noch. Die Artenvielfalt auf der Erde nimmt rasant ab, und Fließgewässer sind davon speziell betroffen. Intakte Gewässer sind in Deutschland – trotz laufender EU-Initiative – extrem rar, gerade in Nordrhein-Westfalen. RUB-Biologen untersuchen, welche Umweltbedingungen besonders schädlich für Wasserorganismen sind, wie man die Biodiversität im Fluss schützen und Renaturierungen besser gestalten kann.

Driftnetze: Organismen, die die Stressbedingungen nicht mögen, verlassen das Experiment und landen in den Netzen.In diesen Fließrinnen setzen die „GeneStream“-Forscher Wasserorganismen verschiedenen Stressbedingungen aus.Wenn Organismen das Experiment verlassen, landen sie in Netzen unter den Fließrinnen. So erfahren die Forscher, welche Organismen die Stressbedingungen meiden.EintagsfliegeDer Breitenbach in Hessen ist das am besten untersuchte Fließgewässer der Welt. Nachtschicht am BreitenbachDr. Florian Leese (2.v.r.), Leiter des Projekts „GeneStream“, erforscht die Artenvielfalt in deutschen Gewässern und kämpft für den Schutz der Biodiversität.Das Experiment am Breitenbach in HessenBachelor-Student Christoph Thiel nimmt eine Wasserprobe.TanzfliegeEin Wasserfilter ist Teil des Experiments.Florian Leese (rechts) und Mitglieder des GeneStream-Teams bei der Beurteilung einer WasserprobeDie „GeneStream“-Forscher kontrollieren das Experiment am Felderbach.Eine Gnitze oder auch „Bartmücke“, die im Breitenbach gefangen wurdeMitglieder des „GeneStream“-Teams am BreitenbachMithilfe eines Baugerüsts, Schläuchen und Pumpen befördern die Forscher Wasser aus dem Felderbach in die Experimentalgefäße.Dr. Florian Leese am Experimentalaufbau in der Elfringhauser SchweizZahlreiche Organismen leben in deutschen Fließgewässern.In diesen Fließrinnen setzen die „GeneStream“-Forscher Wasserorganismen verschiedenen Stressbedingungen aus.Proben vom Experiment am Breitenbach in Hessen

In den vergangenen Jahrzehnten hat der Mensch stärker in die Ökosysteme der Erde eingegriffen als je zuvor und dadurch ein neues Massenaussterben ausgelöst. In einem Bericht des „Millennium Ecosystem Assessment“ aus dem Jahr 2005 heißt es, dass Arten seit rund 50 Jahren bis zu tausendmal schneller aussterben als üblicherweise in der Geschichte unseres Planeten. Höchste Zeit, etwas für den Erhalt der Biodiversität zu tun, sagt Dr. Florian Leese, Leiter des Projekts „GeneStream“ (Abb. 1). Denn Biodiversität hat nicht nur einen ethischen Wert; sie erfüllt auch konkrete Funktionen für den Menschen. Tiere und Pflanzen dienen dabei nicht nur als Nahrung; Organismen in Bächen, Flüssen und Seen filtern etwa Schweb- und Schadstoffe aus dem Wasser. „Wir können viele dieser Funktionen auch technisch halbwegs vernünftig leisten – allerdings nicht umsonst“, weiß Florian Leese. „Warum sollten wir also ein Ökosystem zerstören, das sauberes Trink- und Brauchwasser gratis für uns bereitstellt?“

Abb. 1

Dr. Florian Leese (2.v.r.), Leiter des Projekts „GeneStream“, erforscht die Artenvielfalt in deutschen Gewässern und kämpft für den Schutz der Biodiversität. © RUBIN, Foto: Nelle

Mit seiner Juniorforschergruppe am Lehrstuhl für Evolutionsökologie und Biodiversität der Tiere untersucht der Biologe, wie sich Umweltstress auf die in Bächen lebenden Organismen auswirkt. Konkret maß das Team den Einfluss von erhöhtem Nährstoffangebot, Sedimenteintrag und einer reduzierten Fließgeschwindigkeit auf den Breitenbach in Hessen (Abb. 2). Nährstoffe in Form von Phosphaten und Nitraten gelangen durch Düngemittel in das Wasser. Feines Sediment wie Sand wird von offen liegenden Böden in die Flüsse geschwemmt, etwa von landwirtschaftlich genutzten Flächen. Die Fließgeschwindigkeit reduziert sich zum Beispiel, wenn Wasser für die landwirtschaftliche Bewässerung genutzt wird.

Abb. 2

Der Breitenbach in Hessen ist das am besten untersuchte Fließgewässer der Welt. Auch das „GeneStream“-Team analysierte ihn. © RUBIN, Foto: Leese

Anders als in vorangegangenen Studien nahmen die RUB-Biologen diese Stressfaktoren nicht nur einzeln in den Blick. Sie analysierten auch alle möglichen Kombinationen, zum Beispiel wie sich eine erhöhte Menge an Nährstoffen auswirkt, wenn gleichzeitig auch die eingeschwemmte Sedimentmenge steigt. „Es ist wie in der Medizin“, erklärt Florian Leese. „Bestimmte Wirkstoffe wechselwirken mit anderen Wirkstoffen. Auch verschiedene Stressfaktoren können miteinander interagieren. Aber wie genau, das ist schwer vorauszusagen.“

Die Biologen bauten 64 Experimentalrinnen auf, in die sie Wasser direkt aus dem Bach pumpten (Abb. 3). Organismen, die kleiner als fünf Millimeter waren, gelangten auf diesem Weg in die Gefäße; größere Bachbewohner setzten die Forscher von Hand hinein. Die Tiere hatten jederzeit die Wahl, das Experiment zu verlassen. Die Idee: Kommen sie mit den Umweltbedingungen gut zurecht, bleiben sie in den Rinnen. Ist das nicht der Fall, verlassen sie diese.

Abb. 3

In 64 Experimentalrinnen testen RUB-Biologen, wie gut Wasserlebewesen mit Umweltstress zurechtkommen, zum Beispiel einem Überfluss an Nährstoffen oder Sediment. © RUBIN, Foto: Nelle

Nach zwei Monaten analysierten die Forscher, welche Organismen sich unter den verschiedenen Umweltbedingungen in den Behältern angesiedelt hatten, immer im Vergleich zu Kontrollrinnen, die keinem besonderen Umweltstress ausgesetzt waren. Auf die meisten Arten hatten alle drei Stressfaktoren einen negativen Einfluss. Das heißt, bei erhöhter Sediment- oder Nährstoffmenge sowie bei niedrigerer Fließgeschwindigkeit fanden sich weniger Individuen in den Behältern als in den Kontrollgefäßen. Gerade die Feinsedimentbelastung, also eine erhöhte Sandmenge, bekam vielen Tieren nicht. „Es gibt ein paar Schmutzfinken wie Fadenwürmer oder einige Fliegenlarven, denen das nichts ausmacht“, sagt Florian Leese. Eigentlich sei Feinsedimentbelastung auch etwas ganz Normales – aber nur, wenn sie sporadisch auftrete. „Wenn wir über Jahre einen hohen Feinsedimenteintrag haben, zeigen unsere Ergebnisse: Das ist richtig schlecht für viele Arten“, so der Bochumer Biologe.

Als nicht ganz so schädlich erwies sich eine erhöhte Nährstoffmenge. Einige Organismen gediehen unter Phosphat- und Nitratüberfluss sogar besser als in den Kontrollgefäßen. Allerdings nur, solange keine weiteren Stressfaktoren hinzukamen (Abb. 4). „Je mehr Stressoren wir in das Experiment hineingeben, desto gestresster reagieren die Organismen“, fasst Florian Leese zusammen. „Manchmal sind Stressor eins und Stressor zwei zusammen aber nicht einfach doppelt so schlecht, sondern drei-, vier- oder achtmal so schlecht.“ Daher sei es entscheidend, die Interaktion verschiedener Umwelteinflüsse zu analysieren. So können die Biologen Empfehlungen für das Gewässermanagement aussprechen, zum Beispiel raten, eine besonders schädliche Kombination von Stressfaktoren zu vermeiden. „In der Ökologie ist die experimentelle Forschung mit Kombinationen von Stressfaktoren hier aber noch in den Kinderschuhen“, weiß der „GeneStream“-Leiter.

Abb. 4

Für die Eintagsfliege (blau) gilt: Je mehr Stressfaktoren auf ihren Lebensraum einwirken, desto weniger Individuen finden sich im Breitenbach. Im Gegensatz zu Eintagsfliegen gedeihen Bachflohkrebse (grau) gut, wenn nur die Fließgeschwindigkeit reduziert ist. Kommt jedoch ein zweiter Stressor hinzu, verringert sich ihre Anzahl deutlich. © RUBIN, Fotos: Seefeldt, Leese

Im März 2014 startete das Bochumer Team ein neues Experiment, diesmal am Felderbach in der Elfringhauser Schweiz. Zusätzlich zu den drei Stressfaktoren, die die Forscher am Breitenbach untersuchten, erheben sie dort auch die Effekte von erhöhtem Salzgehalt im Wasser. Dieses gelangt etwa durch Streusalz oder Grubenwasser in die Bäche. Erstmals werden die Biologen nicht nur bestimmen, welche Organismen sich in den Experimentalgefäßen aufhalten, sondern auch deren genetische Ausstattung analysieren. „Es ist wie beim Eisbär“, vergleicht Florian Leese. „Nur weil es aktuell noch viele Individuen einer Art gibt, heißt das nicht, dass diese auch dauerhaft überleben kann.“ Langfristig überleben in der sich rasch verändernden Umwelt nur Arten, die besonders anpassungsfähig sind, und besonders anpassungsfähig sind solche, die eine hohe genetische Vielfalt aufweisen. „Die genetische Biodiversität ist so etwas wie die Lebensversicherung einer Art“, erklärt Leese. Wie unterschiedlich die einzelnen Individuen einer Art auf genetischer Ebene sind, verrät den Forschern also, wie anfällig sie gegenüber sich ändernden Umweltbedingungen sind. Auf diesem Weg wird „GeneStream“ ganz neue Einblicke in den Zustand der deutschen Gewässer erlauben.

Weitere Infos: http://GeneStream.de

Wasserrahmenrichtlinie der EU

Durch die Wasserrahmenrichtlinie haben sich die Mitgliedsstaaten der EU verpflichtet, bis 2027 alle Oberflächengewässer in einen chemisch und ökologisch guten Zustand zu versetzen. „Wir hängen diesem ambitionierten Zeitplan sehr weit hinterher“, sagt Florian Leese. „In NRW sind weniger als fünf Prozent der Fließgewässer noch weitgehend naturnah, über 60 Prozent sind vom Menschen komplett überformt.“ Prinzipiell hält der RUB-Biologe die Idee der Richtlinie für gut und sieht geeignete Umsetzungsbeispiele. Aber: „Das hat auch einen Aktionismus losgetreten, der die Biodiversität nicht messbar verbessert hat. Wenn es in der Nähe eines renaturierten Gewässers keine Arten gibt, die es wiederbesiedeln können, so hilft die Maßnahme nicht. Eine enge Verzahnung zwischen Grundlagenforschung und Wassermanagern ist extrem wichtig.“

Barcoding: Genetische Analysen zur Artbestimmung

Um voraussagen zu können, wie sehr ein Ökosystem unter bestimmten Stressfaktoren leiden wird, muss man wissen, welche Tiere in ihm leben. „Die Forscher, die Organismen zuverlässig bestimmen können, sterben aus“, warnt Florian Leese. Bevor das passiert, will das „GeneStream“-Team ihr Wissen mit moderner Technik konservieren – und zwar unabhängig vom Menschen. Gemeinsam mit dem GBOL-Projektteam (www.bolgermany.de) lassen die RUB-Biologen Spezialisten auf der ganzen Welt Organismen bestimmen, von denen sie dann eine charakteristische Sequenz im Erbgut entschlüsseln. So entsteht eine Datenbank mit genetischen Sequenzen, sogenannten Barcodes, aller in Bächen lebenden Wesen. In Zukunft kann man dann per „DNA-Barcoding“ bestimmen, welche Tiere sich in einem Gewässer aufhalten. „Wir nehmen einfach eine Wasserprobe und tun alles in den Mixer“, erzählt Florian Leese. Heraus kommt eine Sammlung von DNA-Fragmenten aller in der Probe enthaltenen Lebewesen. Diese werden sequenziert und mit der Datenbank verglichen. Aus dem Abgleich lässt sich eine Liste aller Organismen erstellen, von denen DNA-Fragmente in der Wasserprobe waren.

Kontakt zum Fachbereich

Dr. Florian Leese
Lehrstuhl für Evolutionsökologie und Biodiversität der Tiere
Fakultät für Biologie und Biotechnologie
Ruhr-Universität Bochum
44780 Bochum
Tel. 0234/32-25072
E-Mail: florian.leese@rub.de

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