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Chemikalieneinsatz nach Ölkatastrophen besser abwägen

Nach Ölkatastrophen werden meist routinemäßig Chemikalien auf die Meeresoberfläche gesprüht oder sogar ins Tiefenwasser eingebracht. Diese Dispersionsmittel sollen Ölteppiche auflösen und verhindern, dass diese kilometerweit bis an die Küstenbereiche transportiert werden. Zudem bietet die feine Verteilung der Öltröpfchen eine größere Angriffsfläche für ölabbauende Mikroorganismen, was – wie man bisher annahm – zu einem schnelleren Abbau der Ölkomponenten führen soll. Dass dem nicht unbedingt so ist, hat Dr. Sara Kleindienst vom Zentrum für Angewandte Geowissenschaften der Universität Tübingen nun kürzlich nachgewiesen. Die Molekularökologin simulierte gemeinsam mit einem internationalen Forscherteam das Deepwater-Horizon-Unglück im Tiefenwasser des Golfs von Mexiko und gewann dabei unerwartete Erkenntnisse zum Schadstoffabbau nach Ölkatastrophen.

Dr. Sara Kleindienst ist Molekularökologin an der Universität Tübingen. Sie simulierte das Deepwater-Horizon-Unglück im Golf von Mexiko im Labor. © Schmidt Ocean Institute

Auch in einem intakten marinen Ökosystem existieren zahlreiche Öl- und Gasquellen und mit ihnen eine natürliche Mikroflora aus kohlenwasserstoffabbauenden Bakterien – auch „ölabbauende Mikroorganismen“ genannt. Mit solchen unter extremen Bedingungen lebenden Organismen beschäftigt sich Sara Kleindienst schon seit ihrer Promotion am Bremer Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie. Hier untersuchte die Molekularökologin, welche mikrobiellen Gruppen an den Öl- und Gasquellen der Tiefsee während der Deepwater-Horizon-Katastrophe zu finden sind. Bei der Explosion der Ölbohrplattform Deepwater Horizon im April 2010 kam es zu einer der bisher größten Umweltkatastrophen, bei der mehr als 750 Millionen Liter Öl freigesetzt wurden. Als Notfallmaßnahme wurden damals sieben Millionen Liter Dispersionsmittel auf der Wasseroberfläche und im Tiefenwasser verteilt. „Welche Auswirkungen die Katastrophe auf die ölabbauenden Mikroorganismen hatte, interessierte mich damals natürlich sehr, und ich bekam im Anschluss meiner Doktorarbeit die Chance, dies in den USA zu erforschen“, sagt Kleindienst.

Glossar

  • Bakterien sind mikroskopisch kleine, einzellige Lebewesen, die zu den Prokaryoten gehören.
  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • Oligo ist eine griechische Vorsilbe und bedeutet: wenig. Beispiel: Oligonukleotid.
  • Für den Begriff Organismus gibt es zwei Definitionen: a) Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren und selbstständig, d. h. ohne fremde Hilfe, zu existieren (Mikroorganismen, Pilze, Pflanzen, Tiere einschließlich Mensch). b) Legaldefinition aus dem Gentechnikgesetz: „Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren oder genetisches Material zu übertragen.“ Diese Definition erfasst auch Viren und Viroide. Folglich fallen gentechnische Arbeiten mit diesen Partikeln unter die Bestimmungen des Gentechnikgesetzes.
  • Nukleotidsequenzen sind Abfolgen der Basen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin auf der DNA (bzw. Uracil statt Thymin bei RNA).
  • Eine Sonde im molecularbiologischen Sinn ist ein Stück markierte RNA oder DNA, die mit einer gesuchten Sequenz binden (hybridisieren) kann.
  • Die Molekularbiologie beschäftigt sich mit der Struktur, Biosynthese und Funktion von DNA und RNA und und deren Interaktion miteinander und mit Proteinen. Mit Hilfe von molekularbiologischen Daten ist es zum Beispiel möglich, die Ursache von Krankheiten besser zu verstehen und die Wirkungsweise von Medikamenten zu optimieren.
  • Toxizität ist ein anderes Wort für Giftigkeit.
  • Molekular bedeutet: auf Ebene der Moleküle.

Nach Ölunfällen nimmt die mikrobielle Diversität im Meer ab

Großflächige Ölverschmutzung auf der Wasseroberfläche des Golfs von Mexiko nach der Deepwater-Horizon-Katastrophe. © Samantha Joye

An der University of Georgia untersuchte die Molekularökologin gemeinsam mit Prof. Dr. Samantha Joye und ihrem Team die Folgen des Deepwater-Horizon-Unglücks auf das mikrobielle Ökosystem. Hierzu analysierten die Wissenschaftler unter anderem Wasserproben, die zum Zeitpunkt des Unglücks im Golf von Mexiko gewonnen worden waren: „Wie es der Zufall so wollte, war Professor Joye genau zum Zeitpunkt der Katastrophe mit dem Schiff unterwegs, um routinemäßig Wasserproben zu sammeln. Das war für uns natürlich ein großes Glück“, berichtet Kleindienst. So konnten die Forscher zahlreiche Proben für molekularbiologische und geochemische Untersuchungen gewinnen. „Wir sahen uns die mikrobielle Zusammensetzung der Wassersäule vor, während und nach der Ölkatastrophe an und konnten feststellen, dass bestimmte Gruppen von Mikroorganismen, beispielsweise Colwellia-Arten,bevorzugt herangewachsen waren – die Diversität der mikrobiellen Gemeinschaft also abgenommen hatte“, so die Wissenschaftlerin. Hierfür betrachteten die Forscher die DNA-Sequenzen mithilfe der Oligotyping-Methode in extrem feiner Auflösung. „Dabei machten wir Entdeckungen, die vorher noch niemand so bemerkt hatte“, so Kleindienst. „Nämlich, dass während der Ölkatastrophe ganz andere Mikroorganismen heranwuchsen, als man sie normalerweise an natürlich vorkommenden Öl- und Gasquellen findet.“

Dispersionsmittelwirkung praktisch bisher nicht erforscht

Bei praktisch allen Ölunfällen im Meer, etwa durch Tankerunglücke, auslaufende Pipelines oder Zwischenfälle auf Ölbohrplattformen, werden – vor allem in den USA – standardmäßig sofort Chemikalien eingesetzt. Dabei handelt es sich um spezielle Dispersionsmittel, die die Ölansammlung im Wasser vergleichbar mit Spülmittel auflösen und in mikrofeine Tröpfchen zerlegen. „Dabei ist das Öl aber nicht weg, sondern wird ganz fein in der Wassersäule verteilt“, erklärt die Molekularökologin. „Die Dispersionsmittel haben die Funktion, Ölteppiche aufzulösen, sodass sie nicht kilometerweit transportiert und gar an Küstenbereiche angeschwemmt werden. Dispersionsmittel vergrößern somit auch die Oberfläche für ölabbauende Mikroorganismen, woraus geschlussfolgert wurde, dass mikrobieller Ölabbau gesteigert wird.“ Und sie fügt hinzu: „Dabei war die Wirkung dieser Dispersionsmittel auf Mikroorganismen bislang sehr wenig erforscht. Es wurden schon viele Tests mit Tieren durchgeführt und vereinzelt auch mit Mikroorganismen, aber nicht mit den für Ökosysteme wie den Golf von Mexiko relevanten Mikroorganismen. Deshalb waren wir der Meinung, dass dies unbedingt untersucht werden muss.“

Deepwater-Horizon-Unglück im Labor simuliert

Auch nach der Deepwater-Horizon-Katastrophe vor rund sechs Jahren wurden Dispersionsmittel eingesetzt. Die Chemikalien wurden per Flugzeug auf die Meeresoberfläche gesprüht und zum ersten Mal bei einer solchen Katastrophe auch im Tiefenwasser eingesetzt. „Damals hatte sich eine vertikal verteilte Schadstofffahne aus Öl und Dispersionsmitteln in über tausend Metern Wassertiefe ausgebildet und kilometerweit verteilt – hier war die Konzentration an Öl- und Dispersionsmittelkomponenten besonders hoch“, berichtet Kleindienst. „Daher haben wir uns die Frage gestellt, was mit den Mikroorganismen hier im Tiefenwasser während der Katastrophe passierte.“

Mikrokosmen im Labor, die die chemischen Bedingungen der Deepwater-Horizon-Katastrophe nachstellen: Öl, Dispersionsmittel oder Öl-Dispersionsmittel-Gemisch mit und ohne Nährstoffe wurden zu Meerwasser aus 1.200 Metern Tiefe des Golfs von Mexiko gegeben. © Sara Kleindienst

Um dies herauszufinden, untersuchten die Forscher insgesamt 130 Liter Meerwasser, das aus 1.200 Metern Tiefe im Golf von Mexiko gewonnen worden war und natürliche ölabbauende Mikroorganismen enthielt. Den Proben wurden im Labor teilweise noch Öl, Dispersionsmittel, Öl und Dispersionsmittel oder auch zusätzlich Nährstoffe zugesetzt. Die Umweltbedingungen in den Tiefenwässern während der Deepwater-Horizon-Katastrophe wurden möglichst genau simuliert. Anschließend untersuchten die Wissenschaftler die Mikrokosmen unter verschiedensten Kriterien: Analysiert wurde beispielsweise, wie Öl und Dispersionsmittel abgebaut worden waren, wie sich die mikrobielle Zusammensetzung veränderte oder welche mikrobiellen Aktivitäten in Bezug auf den Kohlenwasserstoffabbau stattgefunden hatten, beziehungsweise wie sich diese durch das Dispersionsmittel änderten. Durch den Einsatz von radioaktiv markierten Kohlenwasserstoffen konnte die Molekularökologin die Abbaurate ausgewählter Ölbestandteilklassen genau quantifizieren und verfolgen.

Dispersionsmittel verdrängt ölabbauende Mikroorganismen

Dabei konnten die Forscher beobachten, dass – anders als bisher angenommen – Dispersionsmittel nicht unbedingt für einen schnelleren Abbau der Ölkomponenten sorgen*. In den Ansätzen, denen lediglich Öl, aber kein Dispersionsmittel zugesetzt worden war, wuchsen die natürlichen Ölverwerter der Gattung Marinobacter im Meerwasser heran. Sobald aber Dispersionsmittel zum Öl zugegeben wurde, verringerte sich deren Anzahl und andere Mikroorganismen der Gattung Colwellia vermehrten sich dafür. Dies wurde auch festgestellt, wenn nur Dispersionsmittel – ohne Öl – zugegeben wurde. „Wir vermuten deshalb, dass Colwellia-Bakterien das komplexe Gemisch der Dispersionsmittel als Wachstumssubstrat verwenden – sie dieses also zersetzen. Das müssen wir aber noch detailliert nachweisen“, so Kleindienst. Als noch wichtiger wertet die Wissenschaftlerin aber ihre Beobachtung, dass alle gemessenen Aktivitäten der mikrobiellen Gemeinschaft in Gegenwart von Dispersionsmittel immer geringer bzw. nicht erhöht waren. „Wir konnten in Mikrokosmen mit Öl – ohne Dispersionsmittel – meist sogar eine höhere mikrobielle Aktivität nachweisen. Das heißt, wir können mit unserer Untersuchung nachweisen, dass in tiefen Gewässern das Öl mindestens genauso gut ohne Dispersionsmittel abgebaut wird.“

In weiteren Tests wollen die Wissenschaftler nun herausfinden, warum in den Wasserproben überwiegend Bakterien der Gattung Colwellia und nicht Marinobacter heranwuchs. Ob die natürlichen Ölverwerter überwachsen, gehemmt werden oder ob die Chemikalien gar toxisch auf die Organismen wirken, möchte Kleindienst in den nächsten Jahren in Tübingen weiter erforschen. Ihre amerikanischen Kollegen wollen sich zudem der Situation im Oberflächenwasser widmen. Hier herrschen andere Gegebenheiten mit beispielsweise viel Licht und höheren Temperaturen, sodass dieser Bereich von anderen Mikroorganismen besiedelt wird. In einem Mini-Experiment wurden die Gegebenheiten schon getestet: „Im Oberflächenwasser wurden die gleichen Effekte beobachtet wie im Tiefenwasser, aber ein detailliertes Experiment steht noch aus“, wie Kleindienst sagt. In jedem Fall wollen die Forscher bewirken, dass zukünftig nach Ölkatastrophen die neusten Forschungsergebnisse über mikrobielle Aktivitäten miteinbezogen werden. „Vor der nächsten großen Katastrophe werden wir hoffentlich noch wesentlich mehr Daten hierfür zur Verfügung haben“, sagt die Tübinger Forscherin.

* Originalpublikation: S. Kleindienst , M. Seidel , K. Ziervogel , S. Grim , K. Loftis , S. Harrison , S. Malkin , M. J. Perkins, J. Field , M.L. Sogin , T. Dittmar , U. Passow , P.M. Medeiros , S.B. Joye. Chemical dispersants can suppress the activity of natural oil-degrading microorganisms. Proceedings of the National Academy of Sciences, vol. 112 no. 48, pp. 14900–14905 (doi: 10.1073/pnas.1507380112)

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