Algen als Schlüssel: Projekt soll Prognosen zum Ostsee-Zustand möglich machen

Was wäre, wenn wir in Echtzeit hören könnten, was uns die Algen sagen? Was wäre, wenn wir sehen könnten, welche Auswirkungen verschiedene Maßnahmen auf den Zustand des Meeres haben – und das alles, bevor auch nur eine Krone ausgegeben oder eine einzige Fischzucht geschlossen wird? 

Eine dänisch-deutsche Forschungsgruppe möchte mithilfe von Mikroalgen Antworten geben, mehr über den Zustand der südwestlichen Ostsee erfahren und die Pflanzen als biologische Alarmglocken in einem System nutzen, das den Zusammenbruch der Ostsee vorhersagen und verhindern kann. 

„Stell dir vor, eine Kommune erwägt die Einrichtung eines neuen Schutzgebiets. Mit unserem Tool können Entscheidungsträger zunächst die Folgen in einem virtuellen Modell sehen – wie reagiert das Ökosystem? Verbessert sich die Wasserqualität? Was bedeutet das für die Fischerei? Das demokratisiert den Entscheidungsprozess“, erklärt Jacek Fiutowski vom Mads Clausen Institut der Süddänischen Universität in Sonderburg ein Ziel des Projekts „Recover“. 

Mikroalgen besser als jede Meeressonde

„Recover“ soll, so schreibt es die SDU auf ihrer Homepage, binnen drei Jahren in einen digitalen Zwilling der südwestlichen Ostsee münden, ein virtuelles Meer, gesteuert aus Daten aus dem wichtigsten Warnsystem des Meeres: den Algen selbst. Sie treiben zu Milliarden im Meerwasser, unsichtbar für das bloße Auge, aber sie können mehr Daten über den Zustand der Ostsee liefern als jede Meeressonde, sind sich die Forschenden einig.  

Denn Mikroalgen reagieren auf kleinste Veränderungen der Nährstoffe, der Temperatur und der Strömungsverhältnisse. Sie wachsen explosionsartig, wenn das Ökosystem aus dem Gleichgewicht gerät. Und wenn sie sterben, hinterlassen sie sauerstoffarme Totzonen in ihrem Kielwasser.

Ostsee in Nordschleswig vor dem Kollaps

Diese toten Zonen finden sich auch in Nordschleswig – beispielsweise in der Flensburger und Apenrader Förde. Tote Fische, Braunalgenschlamm und sauerstofffreier Meeresboden, auf dem nichts überleben kann, sind stellenweise Realität und eine Gefahr für das Ökosystem. 

Der Sauerstoffverlust begann bereits in den 1980er-Jahren die dänischen Gewässer zu beeinträchtigen, vor allem aufgrund von Nährstoffeinleitungen aus der Landwirtschaft und durch Abwässer. In den vergangenen 20 Jahren hat sich die Situation deutlich verschlechtert und ist heute so schlecht wie nie zuvor seit Beginn der 2000er-Jahre.

Auch die Muschelfischerei hat den Förden in Nordschleswig über die Jahre schwere Schäden zugefügt – und ist vom dänischen Parlament noch nicht final verboten worden. 

Sauerstoffarmut fördert neue Probleme

Anja Engel vom Geomar Helmholtz-Zentrum in Kiel arbeitet an dem grenzüberschreitenden Projekt „Recover“ mit. Sie sagt gegenüber der SDU: „Je nach Nährstoffbelastung verändert sich die Artenvielfalt der Algen. Sie sagen uns genau, was nicht stimmt – wenn wir lernen, ihnen zuzuhören“, erklärt die Professorin für biologische Ozeanografie.

Als Detektive des Ozeans sind die Algen lebende Messinstrumente. Wenn im Verhältnis zu Stickstoff zu viel Phosphor vorhanden ist, wie dies in weiten Teilen der Ostsee der Fall ist, verändert sich die Zusammensetzung der Algen-Gemeinschaft. 

„In einem System wie der Ostsee, das teilweise anoxisch – also sauerstoffarm – ist und viel Stickstoff verliert, haben wir einen relativ hohen Phosphorgehalt im Verhältnis zu Stickstoff“, erklärt Engel.

„Dadurch begünstigen wir Algen, die atmosphärischen Stickstoff binden können. Das sind Blaualgen – Cyanobakterien.“ Das Problem: Die massive Blüte der fadenförmigen Cyanobakterien ist nicht nur ein ästhetisches Problem, wenn sie im Sommer an die Strände gespült werden, sie sind oft auch giftig. Empfindliche Menschen, Kinder und sogar Haustiere können schwer erkranken, wenn sie mit dem Wasser in Kontakt kommen oder es trinken. 

„Deshalb müssen die Strände geschlossen werden. Aber schon bevor es so weit ist, haben uns die Algen gewarnt. Wir müssen nur besser lernen, ihre Sprache zu verstehen“, so Anja Engel. 

Forschende nutzen auch Künstliche Intelligenz

Unterstützen soll die Forschenden dabei auch Künstliche Intelligenz. Sie soll mit der Sensortechnologie kombiniert werden, um das Meer umfassender zu überwachen, als es mit herkömmlichen Methoden zu schaffen ist. 

Algenarten sollen kartiert und ihre Anzahl und Zusammensetzung in Echtzeit überwacht werden. So können die Forscherinnen und Forscher nicht nur den aktuellen Zustand des Ökosystems messen, sondern auch Vorhersagen treffen, was passiert, wenn sich Bedingungen ändern. 

Am Mads Clausen Institut der Süddänischen Universität in Sonderburg arbeiten Forschende daran, Sensoren und KI-Tools zu entwickeln, um die biologischen Signale der Algen in nutzbare Informationen umzuwandeln. Mit dabei ist auch Jacek Fiutowski. 

„Anstelle teurer, zeitaufwendiger Analysen erhalten wir Echtzeitdaten, die direkt in den digitalen Zwilling integriert werden können“, sagt er. Das eröffne völlig neue Möglichkeiten, um zu verstehen, wie die Ostsee auf Veränderungen reagiert.

Die Daten sollen sowohl mithilfe hochauflösender Kameras, die Algenzellen automatisch identifizieren und zählen können, als auch mit DNA-Analysen gesammelt werden. Ozeanografische Modelle und Künstliche Intelligenz werden dann mit den Daten verknüpft. 

Am Center for Industrial Software der SDU arbeiten Forscherinnen und Forscher gleichzeitig daran, das „Gehirn des Systems“ selbst zu untersuchen: die KI-Modelle und Datenvisualisierungstools, die komplexe ozeanografische Daten für normale Menschen zugänglich machen sollen.

Politische und geografische Herausforderungen

Noch gibt es aber nicht nur technische Herausforderungen, sondern auch politische und geografische. Die Ostsee funktioniere laut Anja Engel nämlich wie ein Topf. 

„Was den wichtigen Nährstoff Phosphor angeht, so bleibt dieser zu einem großen Teil in der Ostsee, wenn er dort eingeleitet wird. Das bedeutet gleichzeitig, dass die Einleitungen in Deutschland Auswirkungen auf die Verhältnisse in Dänemark haben – und umgekehrt“, sagt die Expertin.

Wasser, das heute in Sonderburg ist, sei gestern aus der Flensburger Förde und vorgestern aus der Kieler Förde gekommen. „Strömungen und Wind verbinden das Ökosystem über Grenzen hinweg. Deshalb ist der grenzüberschreitende Aspekt so wichtig“, so Engel. 

Dies sei besonders relevant, wenn man an Meeresschutzgebiete denke. Hier spielen auch die deutschen und dänischen Eigenheiten bei der Meeresbewirtschaftung eine Rolle. Welche Regulierungsmethoden gibt es, und wie unterscheiden sie sich? Was müssen Landwirtinnen und Fischer in beiden Ländern beachten? Welche Lösungen funktionieren am besten?

Digitale Ostsee soll für alle zugänglich sein

Das ehrgeizige Ziel der Forschenden ist es daher auch, die Warnungen der Algen für alle zugänglich zu machen – von der Kommunalpolitik über Fischende bis zu normalen Bürgerinnen und Bürgern. 

Durch Workshops, Bürgerbeteiligung und sogenannte Citizen-Science-Initiativen – bei denen beispielsweise lokale Fischerinnen und Fischer mit Sensoren ausgestattet werden, um Daten über Algen zu sammeln – möchte das Projekt auch eine Brücke zwischen Wissenschaft und Gesellschaft schlagen.

Die Verantwortlichen von „Recover“ wissen, dass die Probleme der Ostsee sich nicht allein durch ein solches Projekt lösen lassen. Es soll jedoch Wissen und Werkzeuge liefern, die der Politik dann helfen können, richtige Entscheidungen zu treffen. 

Projekt soll 2028 abgeschlossen sein

Denn: „Die derzeitigen Überwachungsmethoden sind oft veraltet und zeitaufwendig. Wir verfügen nun über die Technologie, um zu einer Bewertung in Echtzeit überzugehen“, so Anja Engel. 

2028 soll das Projekt abgeschlossen sein. Die Forschenden hoffen dann auf eine neue Ära für die Ostsee.