Methoden & Innovation
Wie wir Biodiversität messen und Zusammenhänge verstehen
Von der Beobachtung zur Prognose
In Talsperren spiegelt es komplexe Prozesse wider, die durch natürliche Dynamiken ebenso wie durch menschliche Einflüsse geprägt sind. Um diese vielschichtigen Zusammenhänge zu entschlüsseln, braucht es einen interdisziplinären Ansatz: von klassischer Mikrobiologie über moderne molekularbiologische Verfahren bis hin zur Analyse großer Datenmengen mittels künstlicher Intelligenz.
Unser Ziel ist es, die ökologischen und funktionalen Wechselwirkungen in Talsperren sichtbar und verständlich zu machen – als Grundlage für wissenschaftlich fundierte Prognosen und nachhaltige Strategien zum Schutz der Wasserqualität.
Bevor wir verstehen können, wie Talsperren funktionieren und sich verändern, müssen wir genau hinschauen. Wir beobachten, messen und analysieren – Schritt für Schritt und mit vielen Blickwinkeln.
Beobachten
Der erste Blick in die Talsperre – gemeinsam mit der Praxis und der Öffentlichkeit
Bevor Daten erhoben oder Proben analysiert werden, beginnt wissenschaftliches Arbeiten oft mit einem einfachen, aber entscheidenden Schritt: der Beobachtung. In unserem Projekt spielen gezielte Feldbeobachtungen eine zentrale Rolle – sowohl durch Fachleute als auch durch engagierte Menschen vor Ort.
Betreiber von Talsperren, die täglich mit den Gewässern arbeiten, haben ein geschultes Auge für Veränderungen: Trübungen, ungewöhnliche Gerüche, Algenblüten oder abweichendes Tierverhalten. Diese alltagsnahen Hinweise sind wichtige Puzzleteile, die wissenschaftliche Messdaten sinnvoll ergänzen.
Menschen, die sich regelmäßig in der Natur aufhalten – etwa Angelvereine, Wandervereine oder Naturinteressierte – können ebenfalls wertvolle Beobachtungen beisteuern. Dies können beispielsweise Beobachtungen nicht heimischer, invasiver, seltener und für den Naturschutz relevante Arten sein. Über die App iNaturalist im Rahmen unseres Mitmach-Projektes (Citizen Science) lassen sich solche Beobachtungen dokumentieren und mit weiteren im Forschungsprojekt erhobenen Daten verknüpfen.
Diese Beobachtungen helfen uns dabei:
Veränderungen frühzeitig zu erkennen, etwa bei der Ausbreitung von Neobiota (gebietsfremde, nicht heimischen) und invasiven Arten.
Standorte gezielt auszuwählen, an denen weiterführende Messungen und Proben sinnvoll sind.
Lücken in der Datenlage zu schließen, insbesondere bei Phänomenen, die durch punktuelle Ereignisse wie Starkregen oder extreme Hitze ausgelöst werden.
So entsteht ein erstes Bild davon, was im Ökosystem Talsperre geschieht – aus wissenschaftlicher und alltagspraktischer Sicht.
Wasservögel beeinflussen die mikrobielle Wasserqualität und sind häufig Indikatoren für Veränderungen im Ökosystem (z. B. Dürre oder Neobiota).
Gut zu Beobachten: Grünlich bis bläulich schimmernde Teppiche auf der Wasseroberfläche – häufig verursacht durch Cyanobakterien (Blaualgen), die bei warmen Temperaturen und hohem Nährstoffeintrag massenhaft auftreten können.
Messen
Wasser lebt – aber was genau passiert darin?
Um die Vorgänge in Talsperren wirklich zu verstehen, reicht das bloße Beobachten nicht aus. Wir müssen auch gezielt messen, was im Wasser vorhanden ist: Mikroorganismen, chemische Zusammensetzung, physikalische Eigenschaften – und wie sich diese über Zeit und Tiefe verändern. Dazu nutzen wir eine Vielzahl moderner und klassischer Methoden, die sich gegenseitig ergänzen. Je mehr verschiedene Daten wir erheben, desto besser können wir Zusammenhänge erkennen und verstehen.
Klassische Mikrobiologie
Wie funktioniert’s?
Wasserproben werden im Labor auf sogenannte Indikatororganismen kultiviert. Die gängigsten sind Escherichia coli und coliforme Keime, die auf fäkale Verunreinigungen hinweisen.
Was wird gemessen?
Hygienisch relevante Parameter – ein wichtiges Maß für die mikrobielle Wasserqualität und potenzielle Gesundheitsrisiken.
PCR
(Polymerase-Kettenreaktion)
Wie funktioniert’s?
DNA-Abschnitte bestimmter Organismen werden gezielt vervielfältigt und nachgewiesen.
Was wird gemessen?
Bestimmte Algen, Bakterien, Viren und Antibiotikaresistenzgene.
Community-Analyse
Wie funktioniert’s?
Mit Hilfe von Sequenzierungstechnologien werden alle Bakteriengruppen in einer Probe anhand ihrer 16S-rRNA-Gene erfasst – ein molekularer „Fingerabdruck“ der bakteriellen Gemeinschaft.
Was wird gemessen?
Die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft („Mikrobiom“) – also wer lebt im Wasser und wie divers ist diese Lebensgemeinschaft.
Metagenomik
Wie funktioniert’s?
Nicht nur einzelne Gene, sondern die gesamte DNA aus einer Wasserprobe wird sequenziert. Dadurch erhalten wir ein umfassendes Bild aller vorhandenen Organismen – Bakterien, Viren, Pilze, Algen – samt ihrer genetischen Eigenschaften.
Was wird gemessen?
Biodiversität, funktionelle Gene (z. B. Antibiotikaresistenzen), potenzielle Stoffwechselprozesse – ein sehr tiefer Einblick in das „Wasser-Ökosystem“.
Umwelt-DNA
eDNA
Wie funktioniert’s?
Tiere und Pflanzen hinterlassen DNA-Spuren im Wasser. Diese können gesammelt und analysiert werden – ganz ohne Sichtkontakt oder Fang.
Was wird gemessen?
Nachweis von Fischarten, Amphibien, Insekten, Neobiota – ideal für schwer erfassbare Arten. Besonders geeignet zur Ergänzung von visuellen Beobachtungen.
Algen-Sensoren Algenfluorometer
Wie funktioniert’s?
Diese Sensoren messen die Fluoreszenz von Pigmenten, die in verschiedenen Algenarten vorkommen – direkt im Wasser.
Was wird gemessen?
Algenkonzentration, Dominanz bestimmter Algenklassen (z. B. Cyanobakterien) – wichtige Frühwarnsysteme für Algenblüten.
Chemisch-physikalische Messsonden
Wie funktioniert’s?
Multisonden erfassen kontinuierlich verschiedene Parameter direkt im See – oft in unterschiedlichen Tiefen.
Was wird gemessen?
Temperatur, pH-Wert, Sauerstoff, Leitfähigkeit, Trübung – grundlegende Umweltfaktoren, die Lebensbedingungen im See bestimmen und stark auf äußere Einflüsse wie Klimawandel reagieren.
Historische Daten
Wie funktioniert’s?
Wasserversorger dokumentieren seit Jahrzehnten regelmäßig Wasserqualitätsdaten. Diese werden im Projekt digitalisiert, vereinheitlicht und in Beziehung zu aktuellen Messungen gesetzt.
Was wird gemessen?
Langfristige Trends, Veränderungen in der Wasserqualität, Zusammenhänge mit Wetterereignissen und Nutzungsänderungen – entscheidend für die Interpretation aktueller Entwicklungen.
Microbial Source Tracking
Wie funktioniert’s?
MST ist eine molekularbiologische Methode zur Identifikation der Herkunft fäkaler Verunreinigungen im Wasser. Dabei werden spezifische genetische Marker verwendet, die bestimmten Tierarten oder menschlichen Quellen eindeutig zugeordnet werden können.
Was wird gemessen?
MST hilft uns zu erkennen, ob fäkale Keime im Wasser von Menschen, Rindern, Vögeln oder Wildtieren stammen. Das ist besonders wichtig für das Verständnis von Kontaminationen, beispielsweise bei Starkregen oder in Trockenperioden, wenn Tiere vermehrt Talsperren aufsuchen.
Verstehen
Wie aus Messwerten Prognosen werden
Datenvielfalt strukturieren
Um die komplexen Zusammenhänge zwischen biologischen, chemischen und physikalischen Prozessen in Talsperren zu entschlüsseln, braucht es eine strukturierte Datenbasis. Im Projekt IQ-Wasser werden dafür Daten aus verschiedensten Quellen zusammengeführt. Die große Herausforderung: diese heterogenen Datenformate sinnvoll miteinander zu verknüpfen.
Dafür entsteht eine leistungsfähige, kollaborative Dateninfrastruktur, in der sowohl klassische Tabellen- als auch flexible NoSQL-Datenbanken genutzt werden – etwa zur Integration von Expertenwissen und annotierten Spektraldaten.
Muster erkennen mit KI
Auf dieser gemeinsamen Datenbasis setzen wir moderne KI-Methoden ein, um Zusammenhänge in aquatischen Ökosystemen besser zu verstehen. Dabei kommen sowohl klassische statistische Verfahren als auch tiefe neuronale Netze zum Einsatz, etwa zur Analyse von Genomdaten, Umweltparametern und Spektralanalysen.
Ziel ist es, biodiversitätsrelevante Prozesse sichtbar zu machen: Wann treten Massenentwicklungen hygienisch relevanter Bakterien auf? Welche Umweltbedingungen begünstigen toxische Cyanobakterienblüten? Wie verändert sich die Biodiversität im Klimawandel? Solche Fragen können durch explorative KI-gestützte Analysen datenbasiert beantwortet werden.
In die Zukunft schauen – Prognosen ermöglichen
Auf Basis dieser Analysen entwickeln wir Prognosemodelle, mit denen sich kritische Entwicklungen frühzeitig erkennen lassen. Zum Beispiel:
- Frühwarnsysteme für bakterielle Massenentwicklungen
- Prognosen für Algenblüten auf Basis von Umwelt- und Genomdaten
- Modellierung langfristiger Trends, z. B. bei zunehmender Erwärmung oder Sauerstoffarmut im Tiefenwasser
Die Modelle werden so gestaltet, dass sie auch auf andere Talsperren übertragbar sind und langfristig in das Umweltmonitoring integriert werden können. Ein besonderer Fokus liegt auf der nachhaltigen Archivierung aller Daten und Modelle nach dem FAIR-Prinzip (Findable, Accessible, Interoperable, Reusable), um sie für künftige Forschungsfragen verfügbar zu halten.