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Algen automatisch erkennen

21.12.1999 - (idw) Deutsche Gesellschaft für Meeresforschung (DGM) e.V.


Fluoreszenzspektren von drei Algen Klimamodelle könnten besser und Veränderungen in Gewässern schneller registriert werden, wenn man die zahlreichen Algengruppen des Pflanzenplanktons in Ozeanen, Flüssen und Seen genauer aufschlüsseln kînnte. Denn jede Art spielt ihre eigene Rolle in ihrer nassen Umwelt, hat ihre eigene Funktion.

Bisher musste man die winzigen Algen unter dem Mikroskop auszählen und einzeln bestimmen. Zu mühevoll und langwierig, um die Artenzusammensetzung großer Meeresgebiete zu analysieren.

Das muss sich ändern. Den Klimamodellen fehlen nämlich noch immer genaue Daten über diese wichtigsten Primärproduzenten, die aus Kohlendioxid und Sonnenlicht ihre Zellen aufbauen und dabei Sauerstoff abgeben.

Zwar kann man schon seit langem das Chlorophyll, den grünen Pflanzenfarbstoff, automatisch messen und es mangels besserer Methoden als Maß für die Algenkonzentration nehmen, doch für Klimamodelle und die Gewässerüberwachung reichen so allgemeine, summarische Werte nicht aus. Zu unterschiedlich ist der Chlorophyllgehalt der einzelnen Algengruppen.

Im Forschungs- und Technologiezentrum Westküste in Büsum arbeiten Wissenschaftler daran, ein automatisches Algengruppen-Erkennungssystem für Monitoringzwecke in das Projekt "Messsysteme für Fährschiffe" des Bundesforschungsministeriums einzubinden. Solche Messapparaturen registrieren zwar die physikalischen und chemischen Werte des Meerwassers, bei der Biologie steht die automatische Messtechnik aber noch am Anfang.

In Büsum fand vor einem Jahr ein Vergleich bereits vorhandener Messsysteme statt, über die die Wissenschaftler jetzt in den "Mitteilungen der Deutschen Gesellschaft für Meeresforschung" Nr. 4/1999 berichteten:

Einleitung

Das Ansteigen des CO2 - Gehaltes in der Erdatmosphäre ist einer der auslösenden Faktoren für das mittlerweile sehr starke Interesse an der Erfassung der weltweiten Produktion der Biomasse. Dazu gehören die wichtigsten Primärproduzenten in den Weltmeeren, die planktischen Algen. Diese Mikroalgen reagieren durch ihr großes Verhältnis zwischen Oberfläche und Volumen und durch ihre kurze Regenerationszeit sehr stark und schnell auf das Nährstoffangebot und bestimmte Schadstoffe. Sie bieten sich deshalb auch als natürliche Indikatoren zur Gewässerüberwachung an. In diesem Zusammenhang wird am Forschungs- und Technologiezentrum Westküste (FTZ) in Büsum daran gearbeitet, ein automatisches Algengruppen-Erkennungssystem in das vom BMBF geförderte Projekt "Messsystem für Fährschiffe" (BlueBox-Projekt, Förderkennzeichen 03F0217B) für entsprechende Monitoringzwecke einzubinden.

Als Grundlage hierfür wurde auf einem Primärproduktions-Workshop am FTZ im Oktober vergangenen Jahres zum ersten Mal ein Vergleich der verschiedenen Möglichkeiten der fluorometrischen Algengruppenerkennung mit dem nasschemischen Verfahren nach HPLC durchgeführt. Als fluorometrische Messgeräte kamen die Phyto-Puls Amplituden Modulations-Methode (Phyto-PAM, Walz aus Effeltrich), der Algae Online Analyser (AOA, bbe Moldaenke aus Kiel) und ein Flowcytometer (FCM, Becton & Dickinson) zum Einsatz.

Ausnutzung der Pigmentunterschiede der Algen

Eine Einteilung der Planktonalgen in verschiedene Gruppen wird anhand unterschiedlicher Pigmentzusammensetzungen, Reservepolysacharide, Zellwandstrukturen, Form der Thylakoide (Membranen in den Photosyntheseorganellen), etc. vorgenommen. Ist ein Pigment nur bei einer einzelnen Algenklasse vertreten, so kann es zur Identifizierung dieser Klasse verwendet werden. Beispielsweise ist das Fucoxanthin ein typischer "Marker" für die Klasse der Kieselalgen.

Um die Algen zu klassifizieren, kînnen die Unterschiede in der Pigmentzusammensetzung der Antennenpigmente des Photosyntheseapparates messtechnisch ausgenutzt werden. So unterscheiden sich die Kiesel-, Grün- und Blaualgen sehr stark in ihrem Farbspektrum.

Algenproben können mit Licht der Wellenlängen von 400 bis 700 nm nacheinander angeregt und die zurück strahlende Fluoreszenz bei 720 nm gemessen werden.

Um diese Unterschiede zwischen den Algengruppen zu erfassen und sie zu klassifizieren ist die Analyse des vollen Anregungsspektrums nicht notwendig. Die Reduktion der Anregung auf drei bis fünf diskrete Wellenlängen und der Messung der Fluoreszenzemission dieser Wellenlängen ist für einen Fingerabdruck der Algengruppe ausreichend.

Messergebnisse und Zukunftschancen der Methode

Die ausgewählten Messverfahren zur qualitativen Algengruppenerkennung wurden mit unterschiedlichen Algen-Mischkulturen getestet und verglichen. Aus den Ergebnissen wird deutlich, dass der Zusammenhang zwischen dem Chlorophyll-a Gehalt, der Zellzahl, der Kohlenstoffbindung und somit der Biomasseproduktion sehr stark von den verschiedenen Algenklassen abhängig ist.

So hat die Blaualge Synechocystis sp. nach den Messungen mit dem Flow-Cytometer über 300-mal weniger Chlorophyll-a pro Zelle als die Kieselalge Thalassiosira weissflogii. Ohne eine Klassifizierung wäre mit einer herkömmlichen Chlorophyllmessung kein Rückschluss auf die Zellzahlen möglich.

Wird nur mit einer Anregungswellenlänge bei einem Fluorometer gearbeitet - wie bisher -, und die Chlorophyll-Fluoreszenzemission im Bereich von 680 - 720 nm als Maß für den Chlorophyll-a-Gehalt genommen, so werden zwangsläufig bestimmte Algenklassen stark unter- oder überschätzt.

Eine Klassifizierung durch die Anregung mit verschiedenen Wellenlängen kann diesen Fehler stark verringern.

Das Experiment hat deutlich gemacht, dass die Algengruppenerkennung durch die Analyse der Fluoreszenzemission mit wenigen diskreten Wellenlängen und damit sehr kurzen Messzeiten von einigen Minuten möglich ist. Dieses Verfahren ist also sehr gut für die automatische, biologische öberwachung der Meere geeignet.

Die hier kurz angerissenen Ergebnisse sind Bestandteil des Workshops "Primärproduktionsbestimmungen in aquatischen Systemen". Sie sind in der Berichtsreihe des Forschungs- und Technologiezentrums Westküste Nr. 19 unter Ruser et al. (1999; auf den Seiten 27-38) zusammengefasst.

A. Ruser und K. H. Vanselow

Forschungs- und Technologiezentrum Westküste der CAU Kiel, Hafentörn, 25761 Büsum; Tel.: +49-4834-604-221 Fax: +49-4834-604-299

E-mail: vanselow@ftz-west.uni-kiel.de

WWW: http://www.uni-kiel.de:8080/ftzwest/ag2/ag2.html

Graphik "Fluoreszenz-Anregungsspektren von drei Algen" auf dem IDW-Server vorhanden.

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