Der giftige grüne Schleim des Eriesees wird mit dem Klimawandel immer schlimmer

CLEVELAND, Ohio – Wenn der Sommer nachlässt, stinkt ein Großteil des westlichen Eriesees. Grüne Schmiere — Meilen und Meilen davon – schwimmt auf der Oberfläche und riecht nach verrottendem Fisch, wenn er zerfällt.

Der Abschaum ist nicht nur unangenehm. Es ist gefährlich.

Schädliche Algenblüten sind in allen 50 Staaten ein Gesundheitsrisiko. Aber der Eriesee, der flachste und damit wärmste der fünf Großen Seen, ist einzigartig anfällig für Algenblüten. Wie die meisten anderen Gewässer, die an Krankheiten leiden, ist der See mit Nährstoffen überladen und bildet den perfekten Nährboden für Bakterien, die dafür bekannt sind, Haustiere zu vergiften, Trinkwasser zu kontaminieren und sauerstoffarme „tote Zonen“ zu schaffen, die Wasserlebewesen töten.

Die unmittelbare Zukunft des Sees sieht düster aus: Die Blüten verschlechtern sich mit dem Klimawandel und stellen eine Bedrohung für Tourismus und Erholung dar. Aber die Forschung über die Notlage des Sees floriert, und die Ergebnisse sind weltweit relevant. Die blaugrünen „Algen“, die Erie ersticken, Microcystis – das sind nicht wirklich Algen, sondern eine Art photosynthetische Bakterien — gibt es auf allen Kontinenten außer der Antarktis in Seen.

„Warum ist es so ein guter Konkurrent? Das hoffen wir zu lernen „, sagte Tim Davis, außerordentlicher Professor für Biowissenschaften an der Bowling Green State University, der schädliche Algenblüten auf der ganzen Welt untersucht hat.

Giftige Cyanobakterien, umgangssprachlich als „giftige Algen“ bezeichnet, rückten 2014 in den USA ins Rampenlicht, nachdem eine Trinkwasseranlage in Toledo, Ohio, bei einem Routinetest gefährliche Giftstoffe gefunden hatte und die Stadt das Leitungswasser für ungenießbar erklärte. Hunderttausende Menschen suchten nach sauberem Wasser, bis Toledo das Verbot mehr als zwei Tage später aufhob.

Als der Notfall vorbei war, war die Frage in aller Munde: „Was müssen wir tun, um sicherzustellen, dass wir in Sicherheit sind?“ sagte Pete Bucher, der einen Monat nach der Wasserkrise der Stadt als Gesetzgebungsberater für den State Assembly District im Süden Toledos begann. Bucher ist nun Managing Director of Water Policy beim Ohio Environmental Council.

Zu dieser Zeit waren Tests auf Cyanotoxine, einschließlich des von Microcystis produzierten Toxins, von der Environmental Protection Agency (EPA) nicht erforderlich. Das änderte sich nach Toledo.

Die EPA führte 2016 mit der unregulierten Kontaminantenüberwachungsregel eine obligatorische nationale Überwachung auf Cyanotoxine ein. Die Regel trat 2018 in Kraft und soll in diesem Jahr enden. Trinkwasseranlagen in den betroffenen Teilen des Eriesees haben auch kostspielige, aber wirksame Behandlungen eingeführt, einschließlich Oxidation, Filtration mit Aktivkohle und die physikalische Entfernung oder Filtration von toxinbeladenen Mikrozystiszellen, die durchgeführt werden können, sobald Toxine entdeckt werden.

Wenn die heute geltenden Sicherheitsvorkehrungen — häufigere Satellitenüberwachung mit Bildern mit höherer Auflösung; Instrumente, die Blüten an Trinkwassereinlässen erkennen; und eine bessere Modellierung der Blüten selbst — während Toledos Blüte 2014 bestanden hätten, wäre das Vorhandensein des Toxins keine Überraschung gewesen, und „sie wären in der Lage gewesen, es anzugehen“, sagte Rick Stumpf, Ozeanograph bei der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). „Es würde nicht wieder passieren.“

Stumpf ist Teil eines Teams von NOAA-Forschern, das 2009 begann, Satelliten zur Schätzung der Blütengröße im Eriesee einzusetzen. Nach der Wasserkrise in Toledo wechselte die NOAA von der Veröffentlichung wöchentlicher Bulletins über Eries Blüte mithilfe von Satellitenbildern zur Veröffentlichung nahezu täglicher Updates.

Eine perfekte Katastrophe

Der größte Nebenfluss des Eriesees, der Maumee River, fließt in Eries westliches Becken, den flachsten Teil des Sees. Mehr als 70 Prozent der Wasserscheide des Maumee werden für die Landwirtschaft genutzt, und Niederschläge waschen Stickstoff und Phosphor — die beiden wichtigsten Nährstoffe für das Algenwachstum — aus dem Dünger, der auf Ackerland verwendet wird, in den Maumee. Die Nährstoffe in diesem Abfluss werden direkt in den See transportiert.

Niederschlag und Nährstoffgehalt sind die beiden Hauptfaktoren, die die Blütengröße beeinflussen. Die Freisetzung von Stickstoff und Phosphor aus der Landwirtschaft, der größten Nährstoffquelle, die in den Eriesee gelangt, kann kontrolliert werden. Aber stärkere Niederschläge führen zu einer erhöhten Nährstoffbelastung aus allen Quellen, einschließlich der natürlichen, was zu größeren Blüten führt. Algen gedeihen in wärmerem Wasser, und der Klimawandel wird voraussichtlich wärmeres, feuchteres Wetter in die Region bringen, was die bestehenden Faktoren verschärft.

„Es ist wie im schlimmsten Fall“, sagte Laura Johnson, Direktorin des Nationalen Zentrums für Wasserqualitätsforschung an der Universität Heidelberg.

Heidelberger Forscher untersuchen seit Jahrzehnten die Nährstoffbeladung im Maumee River. Durch den Vergleich dieser Aufzeichnungen mit den Algenblütenschätzungen der NOAA verknüpften sie den Phosphorgehalt im Maumee mit der Blütengröße im Eriesee und entwickelten eine saisonale Blütenprognose für den See.

Das NOAA-Satellitenüberwachungsprogramm entwickelte sich zu einem Projekt namens Cyanobacteria Assessment Network oder CyAN, das nach der charakteristischen blaugrünen Farbe von Cyanobakterien benannt ist und als App für Android verfügbar ist. NOAA und andere Bundesbehörden überwachen jetzt Algenblüten in 2.000 US-Bundesstaaten. seen, die Blüten halten könnten, die groß genug sind, um mit Satellitenbildern gesehen zu werden, und sie veröffentlichen Blüteninformationen von den Seen über die CyAN-App. Die Agenturen hoffen, die Entwicklung lokaler Vorhersagesysteme für die Seen, die sie derzeit überwachen, mit den im Eriesee entwickelten Vorhersagemethoden zu unterstützen.

Aber NOAA ist nicht mit dem Eriesee fertig. Einige Microcystis-Blüten sind giftiger als andere, und Stumpf sieht Erie als Schlüssel zur Entwicklung einer Toxizitätsprognose, die es noch nicht gibt.

„Wir können nicht alles mit Satelliten machen“, sagte er. „Wir können die Toxizität nicht messen, weil Toxine keine Pigmente sind. Sie haben keine Farbe.“

Gegenwärtig erfordert die Verfolgung der Toxizität regelmäßige Wasserproben, was Forscher in Bowling Green wöchentlich tun. Ihre Daten helfen zu erklären, wie sich die Blüten saisonal verändern, aber es wird weniger darüber verstanden, wie die Toxizität jeden Tag schwankt. Hier kommen Citizen Scientists ins Spiel.

„Wir wissen, dass es eine Menge Dynamik gibt, die uns täglich fehlt“, sagte Davis, der Bowling Green Professor. „Wir versuchen also, durch die Einbeziehung von Bürgerwissenschaftlern mehr Daten zu sammeln, die es uns ermöglichen, einige dieser feinskaligen Trends bei den Toxinkonzentrationen zu sehen, was uns hoffentlich die Entwicklung des Toxinprognosemodells ermöglicht.“

Bowling Green hat sich mit mehreren anderen Universitäten und der NOAA zusammengetan, um Leute zu rekrutieren, die bereits jeden Tag am See arbeiten, wie Strandmanager und Charterbootkapitäne. Die Forscher haben Millionen von Dollar an staatlichen und bundesstaatlichen Fördergeldern erhalten, um diese und andere Algenforschungsbemühungen zu unterstützen. Standard-Toxintests sind kompliziert und dauern Stunden, aber die Bürgerwissenschaftler werden das Wasser mit neu entwickelten Testpatronen testen, die die Toxizität in einem Bruchteil der Zeit messen können.

Davis hofft, dass die vereinfachten Mittel zur Datenerfassung die Überwachungsfunktionen erweitern werden, ohne die Bürgerwissenschaftler zu überfordern. Er plant, die Ergebnisse aus dem Eriesee mit Microcystis zu vergleichen, die im afrikanischen Viktoriasee und anderen Seen auf der ganzen Welt gefunden wurden, und zwar im Rahmen eines von der National Science Foundation finanzierten Projekts, das darauf abzielt, das Geheimnis der globalen Dominanz des Organismus zu lüften.

Trotz der Größe des Eriesees — er erstreckt sich über fast 10.000 Quadratmeilen, vier Bundesstaaten und zwei Länder – ermöglicht das Wasserqualitätsabkommen der Großen Seen, das 1972 von den Vereinigten Staaten und Kanada unterzeichnet und 2012 aktualisiert wurde, eine konsistente Überwachung über Grenzen hinweg.

Die Vereinbarung sei wirksam gewesen, sagte Davis. Obwohl jeder See anders ist, sagte er: „Viele Leute schauen auf das, was im Eriesee vor sich geht, und auf die Forschung, die aus dem Eriesee-Gebiet kommt, um sie zu führen.“

Blühen im Laufe der Zeit

Die Exposition gegenüber Cyanotoxinen kann laut dem Zentrum für die Kontrolle und Prävention von Krankheiten alles von Halsschmerzen, Kopfschmerzen und Erschöpfung bis hin zu schweren Symptomen wie Erbrechen, Lungenentzündung und Leberschäden verursachen. Obwohl bisher angenommen wurde, dass die Exposition nur durch Kontakt mit Wasser erfolgen kann, deuten jüngste Ergebnisse darauf hin, dass Cyanotoxine in der Luft möglicherweise mehr als eine Meile landeinwärts wandern können.

„Wenn Sie an den Strand gehen und in einem See mit diesen Algengiften sitzen oder sich erholen, können Sie mit solchen Symptomen nach Hause kommen, die nur ein oder zwei Tage anhalten“, sagte Anne Weir Schechinger, Senior Analyst in Economics bei der Environmental Working Group. „In letzter Zeit gab es auch einige weitere Untersuchungen, die diese längerfristigen Auswirkungen zeigten, wie Leberversagen und sogar einige Krebsarten, die mit diesen Toxinen in Verbindung gebracht werden. Aber ich würde immer noch sagen, dass die Gesundheitsforschung noch früh ist.“

Selbst wenn Schaum auf der Oberfläche eines Sees vorhanden ist, könnte er ungiftig sein. Aber das Gegenteil kann auch wahr sein. Während die Vermeidung von potenziell giftigem Abschaum insgesamt der sicherste Schritt ist, warnte Schechinger davor, davon auszugehen, dass es sicher ist, in Flüssen, Seen oder Teichen zu schwimmen, die algenfrei erscheinen.

„Sie sehen nicht unbedingt eine stinkende Blüte. Das bedeutet nicht, dass es kein (Toxin) im Wasser gibt „, sagte sie.

Eine Karte von Toxin Advisories ist für Ohios öffentliche Strände durch das State Department of Health zur Verfügung. Viele andere Staaten stellen ähnliche Ressourcen zur Verfügung. Schechinger empfiehlt eine Online-Suche nach Algengift-Hinweisen in der Nähe und, falls nichts auftaucht, einen Anruf bei der staatlichen Behörde, die die Blüten überwacht.

Die meisten Forschungen zu Mikrozystis und Cyanotoxinen sind im letzten Jahrzehnt entstanden. Die Beziehung zwischen Stickstoff und Toxizität ist relativ gut verstanden, obwohl sich das Feld weiter entwickelt.

Die Microcystis, die den Eriesee dominiert, kann nur so lange an Größe und Toxizität zunehmen, bis die Blüte den gesamten verfügbaren Stickstoff oder Phosphor im See verbraucht hat. Frühe Forschungen identifizierten Phosphor als den primären begrenzenden Nährstoff, was zu Umweltvorschriften führte, die darauf abzielten, Algen nur auf Phosphor abzuzielen.

Microcystis benötigt sowohl Phosphor als auch Stickstoff, um zu wachsen, aber es braucht Stickstoff direkt, um sein Toxin zu produzieren. Die Reduzierung von Phosphor, aber nicht von Stickstoff, würde also eine Blüte fördern, die physikalisch kleiner, aber wahrscheinlich nicht weniger toxisch ist. Die Reduzierung von Stickstoff, aber nicht von Phosphor, würde eine Blüte fördern, die genauso groß ist, aber aus einer anderen Art von Algen besteht, die Stickstoff aus der Luft einfängt, der genauso giftig sein könnte.

„Wir müssen uns auf beides konzentrieren, weil wir wirklich einen ganzheitlichen Ansatz verfolgen“, sagte Davis. „Wir wollen Phosphor und Stickstoff reduzieren, damit wir einen gesunden See haben, denn ein gesunder See hat ein gesundes Gleichgewicht beider Nährstoffe.“

Obwohl die EPA jetzt empfiehlt, Stickstoff neben Phosphor zu reduzieren, sind die Bemühungen der Staaten zur Algenminderung nur langsam gefolgt. Im Jahr 2015 unterzeichneten Michigan, Ohio und die kanadische Provinz Ontario das Western Basin of Lake Erie Collaborative Agreement, das eine 40-prozentige Reduzierung des Phosphors — hauptsächlich aus landwirtschaftlichen Abflüssen — vorsieht, der bis 2025 in den See gelangt. H2Ohio, das im vergangenen November im Rahmen des Ohio-Budgets finanziert wurde, konzentriert sich auch auf die Begrenzung des Phosphorabflusses aus der Landwirtschaft, um Algenblüten zu mildern.

Ohio hat sein vorläufiges Ziel einer Phosphorreduktion von 20 Prozent bis 2020 nicht erreicht. Wenn es darum geht, das 40-Prozent-Ziel bis 2025 zu erreichen, sagte Bucher vom Ohio Environmental Council: „Ich denke, wir können es schaffen. Ich denke, es wird nur eine doppelte Anstrengung erfordern.“ Eine konsistente Finanzierung wird ebenfalls von größter Bedeutung sein“, sagte er.

Die meisten Experten sagen, dass die Verringerung der Menge an Nährstoffen, die von Farmen freigesetzt wird, der einzige Weg ist, die Blüte in einem See so groß wie Erie zu stoppen. Huichun „Judy“ Zhang, Professorin für Bau- und Umwelttechnik an der Case Western Reserve University, will verhindern, dass Phosphor, der bereits von Farmen freigesetzt wurde, in den See gelangt.

Sie entwickelt ein Phosphorabscheidesystem, um den landwirtschaftlichen Abfluss zu mildern, indem sie Filter verwendet, die mit winzigen Strukturen von der Größe eines Sesamsamens gefüllt sind, die Phosphor aus dem durchströmenden Wasser aufnehmen können. Sie hat 200.000 US-Dollar an Zuschüssen erhalten, um diese Arbeit zu unterstützen.

Zhang und ihr Forschungspartner Chad Penn, ein Bodenwissenschaftler des US-Landwirtschaftsministeriums, erwarten, in naher Zukunft ein Pilotprojekt zu installieren, in dem ihre Technologie demonstriert wird. Sie planen, die Filter an Orten zu platzieren, an denen sich der Abfluss auf natürliche Weise ansammelt, z. B. in Entwässerungsgräben.

„Kurzfristig, um die Phosphorfreisetzung in den See reduzieren zu können, wird dies, wie wir hoffen, einen großen Einfluss haben“, sagte Zhang. Sie erwartet, dass die Filter als Übergangslösung dienen, bis der von der Landwirtschaft freigesetzte Phosphor deutlich reduziert werden kann.

Ein israelisches Unternehmen, BlueGreen Water Technologies, hat einen anderen Ansatz. Vor zwei Jahren brachte es eine Form von Algizid auf den Markt, die auf Cyanobakterien abzielt und ein Massensterben der giftigen Algen auslöst, während ungiftige Formen von Algen – und anderen Wasserorganismen – überleben können. Die Behandlung hat Erfolge in Israel, Südafrika und China sowie im Chippewa Lake in Ohio erzielt, der seit Jahren von giftigen Blüten geplagt wird. Ein Jahr nachdem BlueGreen seine „LakeGuard“ -Behandlung angewendet hatte, die einen Tag dauerte und etwa 20.000 US-Dollar kostete, bleibt der Chippewa Lake algenfrei.

Chief Technology Officer Moshe Harel ist angenehm überrascht, dass Algen nicht zum Chippewa Lake zurückgekehrt sind. „Wir schreiben das Buch, während wir sprechen“, sagte er.

Algenblüten in Teichen oder kleinen Seen sind relativ leicht zu beheben. Die Behandlung größerer Seen ist jedoch eine Herausforderung. Der Eriesee ist tausendmal größer als der größte See, den BlueGreen behandelt hat, aber im Gegensatz zu fast allen anderen lässt sich das Unternehmen nicht von der Skala abschrecken.

Harel, ein Umweltbiologe und der Schöpfer der LakeGuard-Behandlung, die vom USDA genehmigt und von der Ohio EPA zertifiziert ist, glaubt, dass die Fähigkeit der Behandlung, Wasserströmungen zu schwimmen und zu folgen, effektiv auf jeden See übertragen wird, unabhängig von der Größe. Irgendwann, aber noch nicht ganz, will er es mit dem Eriesee aufnehmen.

„Wir wollen nicht den ganzen See behandeln“, sagte Harel. „Wir machen chirurgische Behandlungen. Für einen See wie den Eriesee wird es unser Ziel sein, zu Beginn der Saison zu überwachen, wo die Blüte beginnt.“

In der Zwischenzeit hat Harel andere große Seen im Visier, wie den Lake Okeechobee in Florida, den achtgrößten See des Landes, der immer noch 13 mal kleiner ist als der Lake Erie.

„All diese Seen sind unbehandelbar, müssen blühen und die Blüten werden von Jahr zu Jahr schlimmer“, sagte Chief Executive Officer Eyal Harel, Moshe Harels Bruder, über die Seen, die BlueGreen bereits behandelt hat. „Ich denke, wir werden den Eriesee behandeln. Es ist nur eine Frage der Zeit.“