In den meisten Seen leben Millionen von Kleinlebewesen, die unseren Augen meist verborgen bleiben. Allen gemeinsam ist, dass sie im Wasser schweben und sich mit der Strömung fortbewegen. Darum werden sie in ihrer Gesamtheit als «Plankton» bezeichnet, was auf Griechisch so viel heisst wie «das Umherirrende». Unter dem Plankton findet sich nicht nur eine unglaubliche Vielfalt an Grössen und Formen, sondern auch an Lebensweisen.

Beziehungen geben Stabilität

Das pflanzliche Plankton (Phytoplankton), dazu gehören zum Beispiel Grün- oder Kieselalgen, nutzt die Sonne als Energiequelle und stellt mithilfe von Sonnenlicht, CO2 und Wasser jene Stoffe her, die es zum Wachsen benötigt. Diese sogenannten Primärproduzenten bilden die Basis der Nahrungsnetze in Gewässern. Davon profitiert zunächst das tierische Plankton (Zooplankton), wozu zum Beispiel kleine Räder- und Wimperntierchen oder Wasserflöhe zählen, die die Algen abgrasen.

Diese Tierchen ihrerseits bilden die Nahrungsgrundlage für räuberische Zooplanktonarten – welche wiederum von grösseren Räubern wie Fischen gefressen werden.

Das Wechselspiel beschränkt sich aber nicht nur aufs direkte Fressen und Gefressen werden. Die Arten interagieren beispielsweise auch miteinander, indem sie sich eine Nahrungsquelle streitig machen oder wenn sie im Schutz einer anderen Art besser gedeihen können. All diese unzähligen Interaktionen regulieren nicht nur das Nahrungsnetz, sondern verleihen dem gesamten Gewässerökosystem Stabilität.

Erwärmung verringert Verknüpfungsgrad

Trotz der grossen Bedeutung dieses hochkomplexen Planktonnetzwerks ist bisher noch wenig erforscht, wie es auf zwei der wichtigsten menschgemachten Bedrohungen reagiert – den Klimawandel und den durch Überdüngung verursachten Nährstoffeintrag in die Gewässer. Zwar weiss man, dass sich höhere Wassertemperaturen und wechselnde Phosphatkonzentrationen auf die Fülle und die Vielfalt der Planktongemeinschaften in unseren Seen auswirken. Noch ist aber weitgehend unbekannt, wie dadurch die Interaktionen zwischen Arten beeinflusst werden.

Dem Wasserforschungsinstitut Eawag ist es nun erstmals gelungen, hierzu fundierte Aussagen zu liefern. Die Resultate wurden kürzlich in der Fachzeitschrift «Nature Climate Change» publiziert. Ewa Merz, Ökologin und Erstautorin der Studie, fasst zusammen: «Wir haben herausgefunden, dass die Erwärmung der Seen, wie wir sie in den letzten Jahrzehnten beobachten, die Interaktionen im Planktonnetzwerk verringert. Es kommt zu weniger Interaktionen und diese sind auch weniger stark. Besonders ausgeprägt ist dieser Rückgang, wenn die Seen gleichzeitig hohe Phosphatwerte aufweisen.» Nimmt der Nährstoffgehalt in einem Gewässer wie dem Zürichsee auch nur geringfügig zu, könnte das in einer sich erwärmenden Welt bereits dramatische Folgen für das gesamte Netzwerk haben und das Ökosystem destabilisieren. Damit könnte gemäss Merz nicht nur ein Verlust von Arten drohen, sondern auch ein Rückgang der Ökosystemleistungen – wie beispielsweise eine geringere Wasserqualität aufgrund zunehmender Cyanobakterienblüten oder ein Rückgang der Fischpopulationen infolge von Veränderungen im Nahrungsnetz.

Einzigartiger Datensatz dank Sorgfalt der Kantone

Möglich gemacht hat diese Studie ein Datensatz, wie er in dieser Art wohl einzigartig ist. Merz lagen aus zehn Schweizer Voralpenseen Planktonproben sowie Messwerte von Wassertemperatur und Phosphatgehalt vor, welche die Kantone zwischen 1977 und 2020 monatlich erhoben und der Eawag zur Verfügung gestellt haben. Mit einer innovativen Datenanalyse gelang es Ewa Merz, ganze ökologische Planktonnetzwerke zu rekonstruieren und deren Beziehung zum Phosphatgehalt und zur Wassertemperatur zu ermitteln.

Plankton in Überwachungsprogramme einbeziehen

Die Studie könnte für die Kantone einen doppelten Mehrwert bedeuten. «Einerseits ist es für sie schön zu sehen, dass die Daten, die sie über so viele Jahre hinweg sorgfältig gesammelt haben, genutzt werden. Andererseits sind sie auch an den Ergebnissen interessiert», sagt Merz und streicht die sehr gute Zusammenarbeit mit den Behörden heraus.

Sie hält denn auch konkrete Empfehlungen für die Praxis bereit: «Damit sich die Nahrungsnetze in den Seen nicht weiter destabilisieren, müssten wir einerseits die globale Erwärmung mildern und andererseits die Nährstoffeinträge streng kontrollieren. Wenn wir Planktongemeinschaften kontinuierlich überwachen, können wir grössere Veränderungen im Ökosystem besser vorhersehen. Unsere Studie zeigt, dass kleine Weidegänger wie Wimpern- oder Rädertierchen wichtige Indikatoren für solche Veränderungen sind. Entsprechend sollte ihre Beprobung in künftige Überwachungsprogramme der Seen einbezogen werden.»

Erstellt von Christine Huovinen

Originalpublikation

Merz, E., Saberski, E., Gilarranz, L. J., Isles, P. D. F., Sugihara, G., Berger, C., Pomati, F. (2023). Disruption of ecological networks in lakes by climate change and nutrient fluctuations. Nature Climate Change. doi.org/10.1038/s41558-023-01615-6

Der Edelfisch (Coregonus nobilis) war nach dem kleineren Albeli die zweithäufigste Felchenart in den Fängen der Fischer vom Vierwaldstättersee – bis Phosphat aus Haushaltabwässern und aus immer stärker gedüngten Böden das Algenwachstum in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts explodieren liess. Im Vergleich zu den Mittellandseen blieb die Belastung im Vierwaldtättersee zwar bescheiden, und die Eutrophierung dauerte nur kurz; durch die Zersetzung der vielen Algen wurde der Sauerstoff in der Tiefe des Sees trotzdem knapp. Dem Edelfisch, der sich im Spätsommer auf Laichplätzen von 80 Metern Tiefe an abwärts fortpflanzt, bekam das nicht. Kurz bevor das Phosphatverbot für Waschmittel und der Bau von Kläranlagen Wirkung zeigten, brachen seine Bestände ein, und 1980 galt er als ausgestorben. Erst ab den späten 1990er Jahren wurden wieder einzelne Tiere gefangen, die der Felchenspezialist und Eawag-Forscher Rudolf Müller 2000 zweifelsfrei als C. nobilis identifizierte.

Fünf Felchenarten im Vierwaldstättersee

Heute ist der Edelfisch geschützt. Damit hat der Vierwaldstättersee keine seiner historisch belegten Felchenarten verloren. Und Eawag-Forschende haben neben den bereits bekannten Edelfisch, Albeli und Bodenbalchen sogar noch zwei neue Arten identifiziert: Zwei Grossfelchen, die sich in Lebensweise, äusserlichen Merkmalen und Erbgut von den bisher bekannten Arten unterscheiden. Der pelagische Schwebbalchen (Coregonus suspensus) lebt wahrscheinlich ständig im offenen Wasser, und zwar nicht nur zur Nahrungssuche, sondern auch zur Fortpflanzung – ein Laichverhalten, das man sonst nur von den Blaufelchen (C. wartmanni) im Bodensee kennt. Eine Position zwischen dem pelagischen Schwebbalchen und dem Bodenbalchen (C. litoralis) nimmt der litorale Schwebbalchen (C. intermundia) ein.
 

Sarnersee-Krimi

Ob der Sarnersee ein natürliches Felchengewässer sei oder die Felchen aus den fürs Ende des 19. Jahrhunderts dokumentierten künstlichen Besatz-Atkionen stammen, war im 20. Jahrhundert eine Streitfrage unter Zoologen. Mit kriminalistischem Spürsinn untersuchten nun Eawag-Forscher Sedimentbohrkerne aus dem Sarnersee. Dabei fanden sie Felchenschuppen in Ablagerungen aus einer Zeit vor den künstlichen Besatzmassnahmen. Genetische Untersuchungen der heutigen Sarnerfelchen zeigten zudem klare Unterschiede zu allen anderen Schweizer Felchenarten. Diese komplementären Informationen erlaubten es, die Sarnerfelchen als eigenständige Art, C. sarnensis, zu beschreiben. Ob die Balchen (C. litoralis), die neben dem Sarnerfelchen vorkommen, den Sarnersee über Besatz oder über die ehemals bestehende Verbindung mit dem Vierwaldstättersee besiedelt haben, konnte nicht geklärt werden und bedarf weiterer „kriminalistischer“ Untersuchungen.

Der Überlebende vom Zugersee

Schlimm traf die Eutrophierung die Felchen im Zugersee, der im 20. Jahrhundert wie andere Mittellandseen wesentlich stärker und während einer längeren Zeit überdüngt war als Gewässer, die näher am Ursprung der Flüsse liegen. Da nur noch die obersten Wasserschichten des 200 Meter tiefen Sees genug Sauerstoff für Fische aufwiesen, sind zwei Felchenarten, die in grösseren Tiefen des Sees laichten, ausgestorben: Das (Zuger) Albeli (C.zugensis) und der Zugeralbock (Coregonus obliterus). Der Zugeralbock wäre sogar völlig vergessen worden, hätten die Eawag-Forscher Oliver Selz und Ole Seehausen sie nicht in der historischen Steinmann-Eawag-Sammlung gefunden. Seine Merkmale und alte Berichte deuten darauf hin, dass der Zugeralbock auf das Leben in grosser Tiefe spezialisiert war – eine Spezialisierung, die man in diesem Mass nur vom ebenfalls ausgestorbenen Kilch (C. gutturosus) im Bodensee und vom noch existierenden Kropfer (C. profundus) im Thunersee kennt.

Übrig geblieben ist der eher ufernah laichende Zugerbalchen. Der Fisch verkündet denn auch mit seinem neuen wissenschaftlichen Namen Coregonus supersum: „Ich habe überlebt“.

Jeder See hat eigene Arten

Neu sind auch die wissenschaftlichen Namen des Bodenbalchen (C. litoralis) und des Albeli (C. muelleri) im Vierwaldstättersee. Denn als Oliver Selz und Ole Seehausen die Innerschweizer Felchen für die Aktualisierung der Taxonomie morphologisch und genetisch untersuchten, zeigte sich, dass fast jeder See seine eigene Albeli- und „Bodenbalchen“-Art hat.

Vorher waren die Albeli des Zuger- und Vierwaldstättersees als derselben Art („Coregonus zugensis“) zugehörig beschrieben worden, die ufernah laichenden Balchen der verschiedenen Innerschweizer Seen als „Coregonus suidteri“. Die Namen dieser „Sammelarten“ haben nun die ausgestorbenen Albeli des Zugersees (C. zugensis) und die Balchen des Sempachersees (C. suidteri) geerbt.

Die Albeli des Vierwaldstättersees erhielten ihre neue Bezeichnung C. muelleri zu Ehren des Gewässerbiologen und Felchenspezialisten Dr. Rudolf Müller (1944-2023).

Ein Abbild der Schweiz

Die Seen im Einzugsgebiet der Reuss sind ein Abbild der Schweiz. In den Alpenrandseen sind seit der letzten Eiszeit mindestens 35 Felchenarten entstanden, meist zwei oder mehr im gleichen See. Einen Drittel davon hat die Schweiz während der Seeneutrophierung nach der Mitte des 20. Jahrhunderts verloren. Viele der verlorenen Arten kennen die Forscher nur dank historischer Sammlungen wie derjenigen, die der Naturforscher Paul Steinmann noch vor der Seenüberdüngung anlegte und die heute vom Naturhistorischen Museum Bern kuratiert wird.

Rudolf Müller – Namenspatron von C.muelleri

Die häufigste Felchenart des Vierwaldstättersees, das Albeli, wurde bei der Revision der Felchentaxonomie nach dem Felchenspezialisten Dr. Rudolf Müller Coregonus muelleri benannt. Der kürzlich verstorbene Rudolf Müller leitete den Forschungsbereich Fischereiwissenschaften der Eawag in Kastanienbaum, der in den späten 1990er Jahren in die Abteilung Limnologie und 2004 in die neue Abteilung Fischökologie und Evolution integrierte wurde. Nach seiner Emeritierung 2008 stellte er sein umfangreiches Wissen mit seinem Büro Limnos Fischuntersuchungen in Horw als selbständiger Berater zur Verfügung. 2000-2006 war der einflussreiche Fisch- und Fischereibiologe Vorsitzender der beratenden Kommission für europäische Binnenfischerei EIFAC in der Ernährungsorganisation der Vereinten Nationen FAO. Mit seinen Forschungsarbeiten zur Fortpflanzung der Felchen in den Schweizer Seen war er massgeblich beteiligt an der Entdeckung der Mechanismen, die während der Eutrophierungsphase zum schnellen Verlust von Felchenarten führten. Rudolf Müller war es auch, der wesentlich zur Wiederentdeckung des ausgestorben geglaubten Edelfischs im Vierwaldstättersee beigetragen hat: Im Sommer 2000 identifizierte er ein Exemplar, das ihm Berufsfischer zum Bestimmen brachten, mit wissenschaftlichen Methoden eindeutig als C. nobilis; und 2004 gelang ihm in Zusammenarbeit mit dem Berufsfischer Gottfried Hofer der definitive Nachweis einer Edelfisch-Brutpopulation.

Namen

Sempachersee
C.suidteri = Sempacherfelchen, Sempacherbalchen

Zugersee
C.zugensis = Zugeralbeli (verschwunden)
C.obliterus = Zugeralbock (verschwunden)
C.supersum = Zugerbalchen

Vierwaldstättersee VWS
C.muelleri = Albeli
C.nobilis = Edelfisch
C.litoralis = Balchen, Bodenbalchen
C.intermundia = benthischer Schwebbalchen
C.suspensus = pelagischer Schwebbalchen

Sarnersee
C.sarnensis = Sarnerfelchen, Sarneralbeli
C.litoralis = siehe VWS: Balchen, Bodenbalchen

Originalartikel

Selz OM, Seehausen O (2023) A taxonomic revision of ten whitefish species from the lakes Lucerne, Sarnen, Sempach and Zug, Switzerland, with descriptions of seven new species (Teleostei, Coregonidae). ZooKeys 1144: 95–169. https://doi.org/10.3897/zookeys.1144.67747

Auf der ganzen Welt zählen invasive Arten zu den wichtigsten Gründen für den Rückgang der Artenvielfalt in Ökosystemen. Eine dieser invasiven Arten, die sich derzeit in Schweizer Gewässern breitmacht, ist die Quaggamuschel (Dreissena bugensis). Sie stammt ursprünglich aus dem Schwarzmeerraum und ist mittlerweile in grossen Teilen Europas und Nordamerikas verbreitet. Zusammen mit der Zebramuschel (Dreissena polymorpha) gilt sie als eine der aggressivsten invasiven Arten.

Während die Zebramuschel schon seit den 1960er-Jahren in der Schweiz präsent ist, wurde die Quaggamuschel zum ersten Mal im Jahr 2014 nachgewiesen. Seither hat sie sich in verschiedenen Schweizer Seen ausgebreitet. Im Bodensee hat sie sogar die Zebramuschel weitestgehend ersetzt. Die Fähigkeit der Quaggamuschel, sich fast ganzjährig fortzupflanzen, weiches Substrat in der Tiefenzone zu besiedeln und ihre effizientere Nahrungsaufnahme werden als wesentliche Gründe angesehen, warum die Quaggamuschel in tiefen Seen gegenüber der Zebramuschel konkurrenzfähiger ist und zunehmend an deren Stelle tritt.

Verbreitung in der Schweiz

Seit ihrem ersten Nachweis in der Schweiz 2014 im Rhein bei Basel breitet sich die Quaggamuschel rasant in der Schweiz aus, wie ein Team um Linda Haltiner vom Wasserforschungsinstitut Eawag und Hui Zhang von der Universität Konstanz nachweisen konnte. Gefunden wurde sie bereits in den folgenden Seen: Genfersee, Bodensee, Neuenburgersee, Bielersee, Lac Hongrin und Murtensee.

Die Tiere verbreiten sich entweder natürlicherweise, indem sie im Larvenstadium in der Strömung schweben und so stromabwärts getrieben werden. Im Ballast-, Bilgen- oder Motorenkühlwasser von Schiffen und Freizeitbooten, die in verschiedenen Gewässern verwendet werden, werden die Larven aber auch unbeabsichtigt durch den Menschen verschleppt. Die erwachsenen Muscheln kleben sich zudem an Booten und anderen Gegenständen fest: Werden diese nicht gereinigt oder gut getrocknet, bevor sie in anderen Gewässern zu Wasser gelassen werden, verbreiten sich die Muscheln auch auf diese Weise. Gemäss den Forschenden zeigt diese enorm schnelle Weiterverbreitung der Quaggamuschel in der Schweiz das Risiko für noch unbesiedelte Gewässer auf.

Verbreitung im Bodensee

Hat die Quaggamuschel ein Gewässer befallen, dominiert sie dieses mit einschneidenden Folgen. Dies zeigt auch ihre rasche Ausbreitung im Bodensee, wo sie erstmals 2016 nachgewiesen wurde. Bereits 2017 war sie in allen Seeteilen zu finden und ihre Verbreitung in der Flachwasserzone nimmt seither kontinuierlich zu. Sie besiedelt den See auch bereits bis in grosse Tiefen und eine weitere Zunahme der Bestandsdichte in den tiefsten Bereichen ist anzunehmen.

Ein neues Faktenblatt, das im Rahmen des von der Eawag geleiteten Forschungsprojekts «SeeWandel» entstanden ist, fasst zusammen, warum sich die Quaggamuschel so schnell und weit im Bodensee verbreitet und was mögliche Folgen für das See-Ökosystem sein könnten.

Folgen für die Ökosysteme und die Gesellschaft

Gemäss Piet Spaak, Eawag-Forscher und Leiter des SeeWandel-Projekts, bleibt noch offen, welche Konsequenzen die Quaggamuschel für die betroffenen Voralpen- und Alpenseen im Detail haben wird. Er sagt: «Anhand Beobachtungen, die wir aus Nordamerika haben, befürchten wir, dass die Präsenz der Quaggamuschel einschneidende Folgen für unsere Seeökosysteme haben wird und diese möglicherweise aus dem Gleichgewicht bringt.»

Mögliche Folgen könnten sein:
– Rückgang des Planktons, da die Muscheln grosse Mengen Phytoplankton filtrieren
– Zunahme der Sichttiefe durch den Rückgang des Planktons
– Nährstoffzunahme am Seegrund und -abnahme im Freiwasser, da die Muscheln in Bodennähe leben
– Veränderung der Artengemeinschaften und des Nahrungsnetzes
– Rückgang von Fischbeständen aufgrund des veränderten Nahrungsnetzes
– Muschelschalen im Uferbereich
– Erhöhter Wartungsaufwand und Kosten, zum Beispiel für Rohre für Wasserentnahmen, Boote, Fischernetze usw.

Management und Massnahmen

Die Forschenden empfehlen, Gewässer, die noch nicht betroffen sind, bestmöglich vor einer Einschleppung zu schützen. Nach heutigem Wissen ist die wichtigste Massnahme die Verhinderung der Weiterverbreitung: Gewässer, die noch nicht betroffen sind, sollten bestmöglich vor einer Einschleppung geschützt werden. Dies kann zum Beispiel erreicht werden mit Sensibilisierungskampagnen oder mit einer Reinigungspflicht für Boote, welche vorher auf einem anderen Gewässer verwendet wurden. Sowohl für die Früherkennung als auch für ein besseres Verständnis der Verbreitungsmuster und Populationsdynamik der Quaggamuschel, dränge sich zudem ein regelmässiges und einheitliches Monitoring auf, sagt Gewässerökologe Piet Spaak.

Links

Webnews zum Thema auf www.eawag.ch
Forschungsprojekt SeeWandel: seewandel.org/

Originalpublikation:
Haltiner L, Zhang H, Anneville O, De Ventura L, DeWeber JT, Hesselschwerdt J, Koss M, Rasconi S, Rothhaupt K-O, Schick R, Schmidt B, Spaak P, Teiber-Siessegger P, Wessels M, Zeh M, Dennis SR (2022) The distribution and spread of quagga mussels in perialpine lakes north of the Alps. Aquatic Invasions 17 (in press), https://doi.org/…

Eine Infektion mit Salmonellen kann sehr unterschiedliche Folgen haben. Während einige Infizierte gar nichts von der Ansteckung mit den Bakterien bemerken – man spricht dann von einem asymptomatischen Verlauf – leiden andere unter starken Magen-Darm-Beschwerden. Im Extremfall kann eine Salmonelleninfektion sogar zum Tod führen. Warum die Erkrankung so unterschiedlich schwer ausfällt, war bisher weitgehend unbekannt.

Doch nun hat die Mikrobiologin Alyson Hockenberry, Postdoc in der Eawag-Forschungsabteilung Umweltmikrobiologie von Prof. Martin Ackermann, eine mögliche Ursache entdeckt: die natürliche Darmflora des Infizierten und ihre Stoffwechselprodukte. Gemeinsam mit weiteren Forschenden des Wasserforschungsinstituts Eawag und der ETH Zürich hat sie herausgefunden, dass kurzkettige Fettsäuren, die von im Darm ansässigen Bakterien produziert werden, den Verlauf der Infektion entscheidend beeinflussen können.

Die Tricks der Salmonellen

Salmonellen gelangen meist über verunreinigte Lebensmittel in den Verdauungstrakt. Um die natürliche Darmflora möglichst schnell zu verdrängen und selbst den Darm zu besiedeln, haben die Krankheitserreger einige Tricks auf Lager. «Ein Trick ist das Ausbilden unterschiedlicher Zelltypen innerhalb einer Population genetisch identischer Bakterien», sagt Hockenberry. «Jeder Zelltyp ist auf eine bestimmte Aufgabe spezialisiert. Das bringt Vorteile mit sich, denn durch die Kooperation der unterschiedlichen Zelltypen erhöht sich die Fähigkeit der Salmonellen, Erkrankungen zu verursachen.»

Ein Zelltyp ist etwa darauf spezialisiert, Entzündungen in der Darmschleimhaut auszulösen. Die Entzündungen erhöhen einerseits die Nährstoffverfügbarkeit für die Salmonellen, andererseits führen sie zum Absterben der natürlichen Darmflora. So eröffnen sich Nischen für die Ansiedlung der eindringenden Krankheitserreger. Ein zweiter Zelltyp ist wiederum darauf spezialisiert, schnell zu wachsen und somit die frei werdenden Nischen möglichst rasch zu besetzen. Das Zusammenspiel der beiden Zelltypen verschafft den Salmonellen einen deutlichen Vorteil. Innert weniger Stunden können sie so die Bakterien der natürlichen Darmflora verdrängen und sich selbst breitmachen.

Die Darmflora schlägt zurück

Die Darmflora ist jedoch nicht wehrlos. Das Forscherteam um Alyson Hockenberry konnte mit Hilfe von Experimenten und stochastischen Simulationen zeigen, dass kurzkettige Fettsäuren, also die Stoffwechselprodukte der natürlichen Darmflora, das Wachstum des entzündungsauslösenden Zelltyps verlangsamen. Je höher die Konzentration der Fettsäuren war, desto stärker wurde das Wachstum gehemmt. «Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Stoffwechselprodukte das kooperative Zusammenspiel der Zelltypen beeinflussen und dadurch die Ausbreitung der Salmonellen abschwächen können», sagt Hockenberry.

Mögliche Erklärung für asymptomatische Krankheitsverläufe

Das kann erklären, warum die Menschen so unterschiedlich auf eine Salmonelleninfektion reagieren. Jeder Mensch beheimatet eine sehr individuelle Zusammensetzung von Bakterien in seinem Darm. Ein Grund hierfür sind insbesondere die individuellen Ernährungsgewohnheiten. Während die Darmflora des einen also die Ausbreitung der Salmonellen vollständig verhindern könnte, kann die Darmflora eines anderen den Krankheitserregern nur wenig oder nichts entgegensetzen. Die Erkrankung nimmt ihren individuellen, von der Darmflora beeinflussten Verlauf.

«Wir hoffen, dass die neuen Erkenntnisse auch dazu beitragen werden, besser zu verstehen, wie asymptomatische Infektionen generell entstehen», sagt Alyson Hockenberry. «Denn Infektionen ohne Krankheitssymptome spielen häufig eine wichtige Rolle bei der Übertragung von Krankheiten, wie wir das aktuell bei der Corona-Pandemie beobachten können.»

Originalpublikation
Microbiota-derived metabolites inhibit Salmonella virulent subpopulation development by acting on single-cell behaviors; Alyson M. Hockenberry, Gabriele Micali, Gabriella Takács, Jessica Weng, Wolf- Dietrich Hardt, Martin Ackermann; Proceedings of the National Academy of Sciences Aug 2021, 118 (31) e2103027118; DOI: 10.1073/pnas.2103027118 : https://doi.org/10.1073/pnas.2103027118

Finanzierung
NCCR Microbiomes: https://nccr-microbiomes.ch

Der Klimawandel lässt die Gletscher der Alpen schmelzen. Ziehen sich die teils riesigen Eisfelder zurück, hinterlassen sie oft Vertiefungen und natürliche Dämme in der freigelegten Landschaft. Die Becken können sich mit Schmelzwasser füllen und neue Gletscherseen entstehen. Seit dem Ende der Kleinen Eiszeit um 1850 sind so knapp 1200 neue Seen in ehemals vergletscherten Regionen in den Schweizer Alpen hinzugekommen. Knapp 1000 existieren auch heute noch. Das zeigt ein neues, umfassendes Inventar aller Schweizer Gletscherseen.

«Wir waren überrascht von der schieren Anzahl einerseits und der deutlich beschleunigten Bildung andererseits», sagt Daniel Odermatt, Leiter der Gruppe Fernerkundung am Wasserforschungsinstitut Eawag. «Zu Beginn des Projekts hatten wir mit wenigen hundert Gletscherseen gerechnet. Jetzt sind es über tausend, und alleine im letzten Jahrzehnt kamen 180 hinzu.» Im Team mit seinem Postdoc Nico Mölg, Forschenden der Universität Zürich und des Bundesamts für Umwelt haben sie alle in den letzten rund 170 Jahren entstandenen Gletscherseen in den Schweizer Alpen vermessen und verschiedene Indikatoren erfasst.

Daten reichen zurück bis zum Ende der Kleinen Eiszeit

Möglich war die umfassende Inventarisierung nur dank der hochwertigen Luftbilddaten von Swisstopo und langjährigen Datengrundlagen zu Gletschern in der Schweiz. Die ältesten Informationen stammen aus der Mitte des 19. Jahrhunderts. «Als zum Ende der Kleinen Eiszeit das Eis zu schmelzen begann, weckte dies das Interesse der damaligen Naturkundler», erklärt Mölg. «Zwischen 1840 und 1870 wurde daher die Ausdehnung und Längenänderung einiger grosser Gletscher in den Schweizer Alpen erstmals für die Dufourkarte kartographiert.» Mit der «Amerikanerbefliegung» von 1946 wurden dann die ersten qualitativ hochwertigen Luftbilder verfügbar. Insgesamt konnte das Forscherteam auf Daten zu sieben Zeitpunkten zwischen 1850 und 2016 zurückgreifen.

Für jeden der 1200 Seen erfassten die Forschenden Lage, Höhe, Umriss und Fläche des Sees zu den verschiedenen Zeitpunkten. Sie bestimmten Typ und Material des Damms, oberirdischen Abfluss und hielten die Entwicklung des Sees fest. Mit diesen Grundlagen kann in einem nächsten Schritt das individuelle Gefahrenpotential der Seen geschätzt werden, also etwa die Gefahr einer plötzlichen Entleerung des Sees bei einem Dammbruch.

Gletscherseen als Beweis des Klimawandels

Alle Ergebnisse sind jetzt im Gletscherseeinventar verfügbar. Einige interessante Fakten: Im Jahr 2016 bedeckten die Schweizer Gletscherseen eine Fläche von ungefähr 620 Hektar. Der grösste See mass 40 Hektar, über 90 Prozent waren jedoch kleiner als ein Hektar. Einen ersten Höhepunkt erreichte die Gletscherseebildung zwischen 1946 und 1973 mit im Mittel knapp acht neuen Seen pro Jahr. Danach kehrte etwas Ruhe ein. Doch zwischen 2006 und 2016 hat die Geschwindigkeit, mit der neue Gletscherseen entstehen, wieder deutlich zugenommen und übersteigt deutlich das frühere Maximum. Pro Jahr bildeten sich im Schnitt 18 neue Seen und die Wasserfläche wuchs jährlich um über 400 Quadratmeter – ein sichtbarer Beweis für den Klimawandel in den Alpen.

Etwa ein Viertel der neuen Seen ist aber auch geschrumpft oder sogar ganz verschwunden. Die Sedimente, die kontinuierlich vom Gletscher herantransportiert werden, füllten die Seen langsam wieder auf. So hat zum Beispiel der See beim Huefifirn Gletscher im Kanton Uri zwischen 1985 und 2016 etwa 20 Prozent seiner Fläche verloren. 187 Gletscherseen verschwanden in den letzten 170 Jahren sogar ganz oder schrumpften zumindest auf weniger als 200 Quadratmeter. «Einige Seen sind jedoch auch ausgebrochen, oder künstlich entleert worden», sagt Mölg. «Auch diese Prozesse sind in unserem Datensatz ersichtlich.»

Chancen und Risiken der neuen Gletscherseen

«Das neue Inventar ist eine wertvolle Grundlage für die Kalibrierung und Weiterentwicklung der satellitengestützten Fernerkundung», sagt Odermatt. «Es bildet zudem einen guten Ausgangspunkt, um den Einfluss des Klimawandels auf Gletscherseen zu beobachten und zu analysieren.» Auch weitere Studien können vom Inventar der Gletscherseen profitieren, denn das Interesse an den Gewässern wächst – aus den verschiedensten Gründen. Einerseits steigt mit der zunehmenden Anzahl an Gletscherseen das Risiko plötzlicher Ausbrüche und damit die Gefahr von Flutwellen für die unterhalb liegenden Siedlungen. Andererseits bieten die Naturphänomene eindrucksvolle Attraktionen für den Tourismus, und durch die künstliche Vergrösserung der Seen eröffnen sich neue Chancen für die Wasserkraft.

riginalpublikation

Nico Mölg, Christian Huggel, Thilo Herold, Florian Storck, Simon Allen, Wilfried Haeberli, Yvonne Schaub, and Daniel Odermatt
Inventory and evolution of glacial lakes since the Little Ice Age: lessons from the case of Switzerland
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/esp.5193

Finanzierung

Die Erstellung des Inventars Schweizer Gletscherseen wurde von GCOS Schweiz in Auftrag gegeben und vom Bundesamt für Umwelt BAFU unterstützt.  

Links

• Gletscherseebildung durch Klimaerwärmung in der Schweiz| Eawag Projekt
• NELAK: Seen als Folge schmelzender Gletscher: Chancen und Risiken| Nachhaltige Wassernutzung, Nationales Forschungsprogramm NFP 61
• Mission GletscherrettungVideo von Einstein, SRF | (Beitrag zu Gletscherseen ab 13:51)
• Luftbilder der "Amerikanerbefliegung" von 1946 jetzt auf map.geo.admin.ch| Mitteilung vom Geoportal des Bundes
• Hintergrundinformationen zur Dufourkarte| von der swisstopo

Es ist eigentlich erst ein Prototyp. Doch das fahrbare, vollautomatisierte Wasserlabor MS2field liefert bereits zuverlässige und zudem brisante Daten. In einem heute in der Zeitschrift Aqua&Gas publizierten Artikel beschreiben die verantwortlichen Forschenden der Eawag nicht nur, wie die Plattform funktioniert, sondern auch wie sie damit an einem kleinen Bach im Landwirtschaftsgebiet Pestizidkonzentrationen gemessen haben.

Akuttoxische Spitzen

Weil MS2field alle 20 Minuten automatisch eine Probe nimmt, aufbereitet und analysiert, konnten die grossen Veränderungen der Konzentrationen – mehrere Grössenordnungen innerhalb von Stunden und Tagen – erstmals derart deutlich nachgewiesen werden. In derselben Messperiode wurden auch herkömmliche Mischproben, in diesem Fall jeweils über 3,5 Tage, entnommen und herkömmlich im Labor analysiert. So konnte aufgezeigt werden, wie stark mit der traditionellen Methode Konzentrationsspitzen unterschätzt werden, weil sie verpasst, respektive verdünnt werden. Am Beispiel des Insektizids Thiacloprid wurde auch klar, dass die kurzzeitigen Konzentrationsspitzen ökotoxikologisch bedeutend sind: So wurde das in der Gewässerschutzverordnung verankerte Qualitätskriterium, das eine akute Schädigung von Gewässerorganismen verhindern soll, mehrmals und um ein Vielfaches (bis zu 30-fach) überschritten. Für viele Pestizide übertrafen die Höchstkonzentrationen der 20minütigen MS2field-Messungen die Konzentrationsmittelwerte wie sie mit den 3.5-Tagesmischproben ermittelt wurden bis um das 170fache.

Herkömmliche Mischproben unterschätzen Risiko massiv

Christian Stamm, Mitautor der Studie und stellvertretender Leiter der Eawag-Abteilung für Umweltchemie, hält fest, wie bedeutend diese klaren Befunde sind: «Das Erfassen von Spitzenkonzentrationen ist für die ökotoxikologische Bewertung der Gewässerbelastung enorm wichtig. Für gewisse Pestizide haben bereits Spitzen von weniger als einer Stunde negative Auswirkungen auf aquatische Organismen. Und treten Konzentrationsspitzen wiederholt auf, kann eine zweite oder dritte Spitze noch grössere Wirkung haben – selbst wenn sie weniger hoch ist als die erste, weil sich die Organismen in der Zwischenzeit nicht erholen konnten. Dieses Risiko wird in Mischproben übersehen.»

Bald passend für den Rucksack?

Die am Projekt MS2field beteiligten Forscherinnen und Forscher sind zuversichtlich, dass ihre automatische Messplattform eine grosse Zukunft hat. Umweltanalytiker Heinz Singer nennt als mögliche Anwendung die Messungen im Zu- und Ablauf einer Kläranlage. Hier könnten die Online- Daten helfen, die Reinigungsleistung für Spurenstoffe zu optimieren oder bei Regen stark belastetes Wasser gezielt zurückzuhalten. Weil MS2field die bisher oft lange Zeitspanne zwischen Probenahme und Vorliegen der Resultate extrem verkürzt, ist auch ein Einsatz in der Trinkwasserüberwachung denkbar. Digitalisierung und Miniaturisierung gehen laufend weiter. Singer ist sicher: In einigen Jahren wird MS2field nicht mehr einen ganzen Autoanhänger beanspruchen, sondern es wird tragbare, feldtaugliche Mini-Labors geben. «Wir haben für diese Entwicklung wichtige Schritte gemacht», sagt er und zieht das Mobiltelefon aus der Tasche um die Messresultate vom aktuellen Einsatz des MS2field auf einer Kläranlage abzurufen.

Automatisiert, mobil, präzise

«MS2field» hat das interdisziplinäre Eawag-Team sein fahrbares Wasserlabor getauft. «MS» steht für das in der Messplattform verbaute Massenspektrometer und mit dem Zusatz «to field» wird auf den flexiblen Einsatz draussen, im Feld, auf einer Kläranlage oder an einem Gewässer hingewiesen. Nebst dem Massenspektrometer als Herzstück, besteht das System aus einer automatischen, kontinuierlichen Probenahme und Filtration, einem Probeanreicherungsmodul und einem Flüssigchromatographen. Schliesslich werden die Daten auch automatisiert ausgewertet und verschlüsselt via Mobilfunknetz an einen Eawag-Server übermittelt. Zurzeit ist einmal pro Woche eine Kontrolle und Wartung des Systems nötig.

Originalartikel: Anne Dax, Michael Stravs, Christian Stamm, Christoph Ort, Daniele La Cecilia, Heinz Singer (Eawag); Mikroverunreinigungen mobil messen mit MS2field; Aqua&Gas 12/2020. (pdf)

Video: https://youtu.be/1DuWFBDTmr0

Bereits heute bezieht ein Drittel der Weltbevölkerung ihr Trinkwasser sowie Wasser zur Bewässerung aus Grundwasservorräten. Durch das weltweite Bevölkerungswachstum sowie die Wasserknappheit aufgrund des Klimawandels steigt der Druck auf diese Ressource ungebremst an. Viele Brunnen sind jedoch mit natürlich vorkommendem Arsen kontaminiert. Über längere Zeit eingenommen, kann das Halbmetall zu Leber-, Nieren- und Herzschäden sowie Krebs führen.

Das Team der Abteilung Wasserressourcen und Trinkwasser von der Eawag um Michael Berg hat bereits in verschiedenen Studien das Ausmass von arsenbelasteten Grundwasserleitern dargelegt: Zum einen fanden die Forschenden während Feldarbeiten in Kambodscha, Vietnam oder dem Amazonasgebiet toxische Arsenkonzentrationen im Grundwasser. Zum anderen entwickelten sie regionale Arsen-Risikokarten für China, Pakistan und Südostasien.

Detaillierteste globale Risikokarte

Nun haben die Forschenden um den Eawag-Geophysiker Joel Podgorski die Forschenden ein globales Risikomodell erstellt. Dieses basiert auf einem selbstlernenden Algorithmus, der mit neuesten Daten zu Geologie, Bodeneigenschaften, Klima und rund 200’000 punktuelle Arsen- Konzentrationsmessungen gespeist wird. «Das Resultat ist die bisher genaueste und detaillierteste Risikokarte im globalen Massstab von Grundwasser-Arsenverschmutzungen», erklärt Podgorski, Erstautor der Studie. Diese erschien nun im renommierten Fachmagazin «Science» und wurde von der Direktion für Entwicklung und Zusammenarbeit (DEZA) mitfinanziert.

Neben den geologischen Parametern fliessen ebenfalls Zahlen zur Bevölkerungsdichte sowie Statistiken zur Grundwassernutzung in das Risikomodell ein. Damit konnten die Forschenden berechnen, dass zwischen 94 und 220 Millionen Menschen potentiell von einer Arsenbelastung im Trinkwasser betroffen sind.

Während einige Hotspots seit längerem bekannt sind, etwa Teile von Süd- und Südostasien, identifizierten sie auch bislang unbekannte Gebiete. So weist die Gefährdungskarte beispielsweise auch Teile von Zentralasien, sowie der Sahelzone und anderen Regionen Afrikas als potentiell arsenverschmutze Regionen auf.

Um die Arsenbelastung einzelner Grundwasserbrunnen zu bestimmen, sind die Modellierungen zu wenig hoch aufgelöst. «Die Karten dienen als Grundlage, um herauszufinden, wo gezielte Arsentests durchgeführt werden sollten», sagt Michael Berg.