Rund 140 Fischarten haben sich im Laufe der Evolution an die besonderen Lebensbedingungen rund um die Antarktis angepasst. Eine davon ist der Antarktisraubfisch Harpagifer antarcticus. Der kleine, schuppenlose Fisch lebt in flachen, steinigen Küstengewässern und verfügt über spezielle Frostschutzproteine, die das Wachstum von Eiskristallen verhindern. Wie diese Anpassungen auf genetischer Ebene funktionieren, hat ein internationales Forschungsteam unter Leitung von Dr. Iliana Bista vom Senckenberg Forschungsinstitut und Naturmuseum Frankfurt genauer untersucht.

Mütterliches und väterliches Erbgut erstmals getrennt analysiert

An der Studie waren unter anderem Forschende des British Antarctic Survey (BAS), des Wellcome Sanger Institute, der University of Cambridge und der University of Colorado beteiligt. Dem Team gelang es erstmals, das Erbgut von Harpagifer antarcticus so zusammenzusetzen, dass die beiden von Mutter und Vater geerbten Erbgutvarianten – die sogenannten Haplotypen – getrennt untersucht werden konnten. Diese Methode ermöglicht einen genaueren Blick auf genetische Unterschiede, die bei herkömmlichen Genomsequenzierungen häufig verborgen bleiben. Dazu gehören Veränderungen in Gensequenzen, eingefügte oder entfernte DNA-Abschnitte sowie Regionen, in denen bestimmte Gene mehrfach vorkommen.

„Diese Unterscheidung ist wissenschaftlich bedeutsam, da Unterschiede zwischen dem mütterlichen und dem väterlichen Erbgut bei herkömmlichen Verfahren zur Genomsequenzierung verborgen bleiben können“, erklärt Bista.

Frostschutzproteine unterscheiden sich in ihrer Länge

Die Analyse brachte ein überraschendes Ergebnis: Die mütterliche und die väterliche Erbgutvariante des Antarktisraubfischs sind insgesamt sehr ähnlich. Eine Variante enthält 17 Kopien der Gene für Frostschutzproteine, die andere 16. Deutlichere Unterschiede entdeckten die Forschenden bei sich wiederholenden DNA-Abschnitten und insbesondere bei der Länge der Gene, die für die Bildung der Frostschutzproteine verantwortlich sind.

Da größere Frostschutzproteine das Wachstum von Eiskristallen besonders wirksam hemmen können, vermutet das Forschungsteam, dass diese genetischen Unterschiede eine Rolle bei der Anpassung an unterschiedliche Umweltbedingungen innerhalb der Antarktis spielen.

Springende Gene als Motor der Evolution

Neben den Frostschutzproteinen untersuchten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weitere Besonderheiten des Erbguts. Dabei zeigte sich, dass rund 43 Prozent des Genoms aus sich wiederholenden DNA-Abschnitten bestehen. Besonders häufig treten sogenannte LINE-L2-Transposons auf. Diese auch als „springende Gene“ bezeichneten DNA-Elemente können ihre Position innerhalb des Erbguts verändern oder zusätzliche Kopien von sich selbst erzeugen.

Die Analyse deutet darauf hin, dass sich diese Elemente während der Evolution antarktischer Fische zeitweise besonders stark vermehrt haben. Möglicherweise trugen sie dadurch zur Vergrößerung des Erbguts und zur Entstehung neuer genetischer Varianten bei.

Die Untersuchung zeigt außerdem, dass die Anpassung an die Kälte weit über die Bildung von Frostschutzproteinen hinausgeht. Das Forschungsteam identifizierte Hinweise auf Veränderungen in Genen, die an verschiedenen lebenswichtigen Zellprozessen beteiligt sind. Dazu zählen die Abwehr schädlicher oxidativer Prozesse, der Fettstoffwechsel, die korrekte Faltung von Proteinen und die Aufrechterhaltung grundlegender Zellfunktionen. Diese Mechanismen sind besonders wichtig, da niedrige Temperaturen die Funktion von Eiweißen beeinträchtigen können und der hohe Sauerstoffgehalt des kalten Wassers zusätzlichen Stress für die Zellen bedeutet.

Anpassung beruht auf mehreren genetischen Mechanismen

Die Ergebnisse verdeutlichen, dass das Überleben antarktischer Fische nicht auf eine einzelne genetische Besonderheit zurückzuführen ist. Vielmehr wirken unterschiedliche evolutionäre Veränderungen zusammen.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Anpassung antarktischer Fische an extreme Kälte durch das Zusammenspiel verschiedener evolutionärer Prozesse geprägt ist“, fasst Bista zusammen.

Die getrennte Untersuchung der mütterlichen und väterlichen Erbgutvarianten liefert dabei neue Einblicke in genetische Unterschiede, die mit bisherigen Methoden möglicherweise unentdeckt geblieben wären. Die Studie trägt somit zu einem besseren Verständnis der evolutionären Anpassungsfähigkeit von Fischen an extreme Umweltbedingungen bei.

Quelle: Coole Anpassung: Wie Fische im Antarktischen Ozean überleben

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Der Mensch hat viele Flüsse und Bäche in Europa durch Querbauwerke, befestigte Ufer und Sohlen sowie durch Begradigungen und Kanalisierungen des Gewässerverlaufs stark verändert. Das spiegelt sich auch im ökologischen Zustand wider: Laut Umweltbundesamt erreichen in Deutschland weniger als 10 Prozent der Flüsse und Bäche einen mindestens guten ökologischen Zustand.

Renaturierung stärkt die biologische Vielfalt

Gewässerausbau und Stoffeinträge lassen die Artenvielfalt schwinden und schwächen die Selbstreinigungskraft sowie die Widerstandsfähigkeit der Gewässer. Renaturierungsmaßnahmen sollen diesen Beeinträchtigungen entgegenwirken und den ökologischen Zustand der Gewässer verbessern. Typische Maßnahmen sind etwa die Neugestaltung von Gewässerverläufen, die Beseitigung von Querbauwerken, die Wiederanbindung von Auen, die Bepflanzung von Flussufern oder das Einbringen von Holzstämmen ins Gewässer. Solche Maßnahmen können sich positiv auf die Vielfalt und Zusammensetzung von Tier- und Pflanzenarten auswirken.

Studie untersucht Funktionen von 281 Fließgewässern

Ein vom UFZ koordiniertes internationales Forschungsteam aus 13 Einrichtungen wertete 66 wissenschaftliche Studien mit Daten von 281 Fließgewässern und Gewässerabschnitten in Europa, Nordamerika, Asien und Ozeanien aus. Untersucht wurde, wie Ökosystemfunktionen auf Renaturierungen reagieren und ob sie sich gemeinsam mit der Biodiversität erholen.

Von zunächst 27 erfassten funktionellen Kenngrößen lagen für neun ausreichend vergleichbare Daten für eine Metaanalyse vor. Dazu gehörten unter anderem Bruttoprimärproduktion, Nährstoffaufnahme, Denitrifikation und die Zersetzung organischen Materials. Diese Prozesse geben Aufschluss darüber, wie ein Gewässerökosystem funktioniert und wie es auf Belastungen oder Renaturierungen reagiert. Bei der Bruttoprimärproduktion bauen Algen und Wasserpflanzen mithilfe von Sonnenlicht und Nährstoffen Biomasse auf. Bei der Denitrifikation wandeln Mikroorganismen Nitrat in gasförmige Stickstoffverbindungen um, wobei auch das starke Treibhausgas Lachgas entstehen kann.

„Hydromorphologische Renaturierung kann biologische Strukturen verbessern, aber die Ökosystemfunktionen erholen sich nicht automatisch mit. Unsere Ergebnisse zeigen, dass sich aus einer verbesserten Gewässerstruktur oder biologischen Erholung nicht zwangsläufig auf eine Erholung der Ökosystemfunktionen schließen lässt“, sagt Ulrike Haase, Erstautorin und Doktorandin der TU Dresden.

Ökosystemfunktionen reagieren unterschiedlich

Die Forschenden fanden zudem heraus, dass Ökosystemfunktionen sehr unterschiedlich auf die Renaturierungsmaßnahmen reagieren. Von den neun untersuchten Funktionen war nur die Denitrifikation in renaturierten Gewässerabschnitten signifikant geringer als in degradierten.

„Das bedeutet allerdings nicht automatisch, dass sich die Funktion verschlechtert hat: Niedrigere Denitrifikationsraten können beispielsweise auch darauf hinweisen, dass weniger überschüssiger Stickstoff im Gewässer vorhanden ist“, sagt UFZ-Fließgewässerökologe Dr. Mario Brauns, Koordinator der Studie und Co-Autor. Für die übrigen Funktionen ließen sich keine eindeutigen Unterschiede gegenüber den degradierten Gewässern nachweisen. „Das zeigt, dass die bislang üblichen Renaturierungsmaßnahmen allein meist nicht ausreichen, um eine messbare Erholung aller Ökosystemfunktionen sicherzustellen“, sagt er.

Im Unterschied dazu zeigten die biologischen Strukturmerkmale, etwa Artenvielfalt sowie Häufigkeit und Biomasse der vorkommenden Arten, nach der Renaturierung im Durchschnitt positive Veränderungen.

„Ob sich eine Ökosystemfunktion tatsächlich erholt, lässt sich jedoch nur beurteilen, wenn wir wissen, wie sie unter geeigneten Referenzbedingungen ausgeprägt ist“, bilanziert er.

Erfolgskontrolle braucht funktionelle Indikatoren

Ökosystemfunktionen spielen in der Bewertung von Renaturierungsmaßnahmen bislang kaum eine Rolle, obwohl die EU-Biodiversitätsstrategie 2030 ausdrücklich die Wiederherstellung der natürlichen Funktionen von Flüssen fordert. Auch die Globale Vereinbarung zum Schutz der Natur, das Kunming-Montreal Global Biodiversity Framework, nennt die Wiederherstellung von Ökosystemfunktionen als Ziel.

„Ökosystemfunktionen wie die Bruttoprimärproduktion oder die Nährstoffaufnahme lassen sich oft nur vergleichsweise aufwendig quantifizieren“, sagt der UFZ-Forscher.

Für ihre Bewertung fehlen bislang international vergleichbare Standards und geeignete Referenzwerte, wie sie für die Biodiversität bereits etabliert sind. Solche Standards werden notwendig, weil die EU-WVO die Wiederherstellung von Ökosystemfunktionen als Ziel von Renaturierungsmaßnahmen für Fließgewässer vorgibt. Dafür müssen diese Funktionen direkt gemessen und anhand geeigneter Referenzbedingungen bewertet werden.

„Der wesentliche Handlungsbedarf besteht vor allem darin, funktionelle Indikatoren für die Praxis weiterzuentwickeln und zu standardisieren. Wir müssen Monitoring und Erfolgskontrolle künftig um diese Indikatoren ergänzen“, sagt Mario Brauns.

Die wissenschaftlichen Messgrößen sind bereits etabliert. Nun müssen sie mit geeigneten Referenzbedingungen verknüpft und in bestehende Monitoring- und Berichtssysteme integriert werden.

Originalpublikation:
Ulrike Haase, Daniel C. Allen, Christine Anlanger, Iola G. Boëchat, Clara Mendoza-Lera, Wyatt F. Cross, Pia Ebeling, Davi G. Fernandes Cunha, Patrick Fink, Nicolas Finkler, Björn Gücker, Andreas Lorke, Julia Pasqualini, Christopher J. Patrick, Marc Peipoch, Oskar Schröder, Ryan Sponseller, Daniel von Schiller, Markus Weitere, Mario Brauns: Hydromorphological restoration of streams does not ensure the recovery of ecosystem functioning, Global Change Biology, https://doi.org/10.1111/gcb.71126

Wissenschaftliche Ansprechpartner:
Dr. Mario Brauns
UFZ-Department Fließgewässerökologie
mario.brauns@ufz.de

Quelle: Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung – UFZ

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Das Forschungsschiff SONNE ist zu einer Expedition in die Clarion-Clipperton-Zone (CCZ) im Pazifik aufgebrochen. In dem Gebiet nahe des Äquators befinden sich die größten bekannten Vorkommen polymetallischer Knollen am Meeresboden. Auch Deutschland verfügt dort über eine Erkundungslizenz.

Unter der Leitung von Dr. Matthias Haeckel vom GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel untersucht ein internationales Forschungsteam Gebiete, in denen vor rund fünfeinhalb Jahren der Abbau von Manganknollen getestet wurde. Ziel ist es, die ökologischen Auswirkungen auf die Lebensräume am Meeresboden und in der Wassersäule zu erfassen. Die Ergebnisse sollen eine wissenschaftliche Grundlage für Entscheidungen zum Tiefseebergbau liefern.

Manganknollen bieten Lebensraum für zahlreiche Arten

Manganknollen wachsen extrem langsam. Innerhalb von einer Million Jahren nehmen sie lediglich um etwa ein bis zwei Millimeter zu. Werden sie von Sediment bedeckt, lösen sie sich wieder auf. Auf dem Tiefseeboden bieten sie zahlreichen Tierarten einen festen Untergrund zur Besiedlung.

„Auf jeder Knolle sitzen zwei bis drei Tierchen“, sagt Dr. Matthias Haeckel, Biogeochemiker am GEOMAR und Leiter der Expedition SO322 „NoduleMonitoring3“.

Zu den dort lebenden Organismen gehören Seeanemonen, Weichkorallen und große gestielte Schwämme, die wiederum anderen Lebewesen Schutz bieten. Werden die Knollen entfernt, verschwinden auch diese Lebensräume. Aufgrund der langsamen ökologischen Prozesse geht Haeckel davon aus, dass eine Wiederbesiedlung der betroffenen Flächen während des Untersuchungszeitraums nicht zu erwarten ist.

Forschende untersuchen Folgen eines Abbautests

Im Frühjahr 2021 testete das belgische Unternehmen Global Sea Mineral Resources (GSR) in der Clarion-Clipperton-Zone einen ferngesteuerten Vorprototyp eines Manganknollen-Kollektors. Das Gerät war 74 Stunden lang in mehr als 4.000 Metern Tiefe im Einsatz, legte rund 32 Kilometer zurück und baute auf einer Fläche von 54.000 Quadratmetern Manganknollen ab. Das entspricht etwa sieben Fußballfeldern.

Die aktuelle Expedition untersucht, welche Veränderungen fünfeinhalb Jahre nach diesem Eingriff am Meeresboden nachweisbar sind. Die Forschungsfahrt erfolgt im Rahmen des Projekts MiningImpact, das seit 2015 die möglichen Umweltauswirkungen des Tiefseebergbaus erforscht.

Sedimentwolken belasten Meeresorganismen

Neben der Entfernung der obersten, von Organismen besiedelten Sedimentschicht stellt aufgewirbeltes Sediment eine weitere Belastung dar. Die entstehenden Sedimentwolken lagern sich im Umkreis von mehreren hundert Metern wieder ab. Besonders betroffen sind festsitzende Organismen, die diesen Ablagerungen nicht ausweichen können.

Haeckel erklärt: „Einige Organismen können sich reinigen, andere nicht. Diejenigen, die ihre Nahrung aus dem Wasser filtern, werden sehr wahrscheinlich auch beeinträchtigt.“

Wie stark die Auswirkungen sind, lässt sich bislang nur begrenzt beurteilen, da viele ökologische Zusammenhänge in der Tiefsee noch nicht ausreichend erforscht sind.

„Wir haben das Ökosystem dort noch lange nicht verstanden, wir wissen nicht, welche Rolle die einzelnen Organismen spielen“, sagt der Wissenschaftler vor seiner sechsten Forschungsreise zu den Manganknollenfeldern. „Wir fangen erst langsam an, die Tiefsee zu verstehen.“

Unterwasserroboter und Messgeräte im Einsatz

Für die Untersuchungen ist die SONNE mit umfangreicher Forschungstechnik ausgestattet. Dazu gehören der ferngesteuerte Tauchroboter ROV KIEL 6000, das autonome Unterwasserfahrzeug AUV ABYSS, drei auf dem Meeresboden einsetzbare Lander sowie verschiedene Probenahmegeräte wie Multi- und Boxcorer. Insgesamt umfasst die wissenschaftliche Ausrüstung 16 Container. Die SONNE wird während der 54-tägigen Expedition keinen Hafen anlaufen und damit ihre maximale Einsatzdauer ausschöpfen.

An Bord arbeiten Forschende aus 17 Institutionen in sieben europäischen Ländern zusammen. Vertreten sind die Fachrichtungen Biologie, Mikrobiologie, Chemie, Ozeanographie und Geologie. Neben den Veränderungen der Lebensgemeinschaften untersuchen sie, wie lange Sedimentwolken nachwirken und ob künstliche Hartsubstrate als Ersatz für entfernte Manganknollen die Wiederbesiedlung fördern können.

Langfristige Folgen für das Tiefseeökosystem unklar

Große Teile des Tiefseeökosystems sind weiterhin kaum erforscht. Insbesondere die Artenvielfalt und die Verbindungen zwischen verschiedenen Lebensgemeinschaften werfen zahlreiche Fragen auf.

Haeckel erläutert: „Viele Arten in der CCZ sind extrem selten, rund neunzig Prozent der Tiere, die wir bisher gefunden haben sind noch unbestimmt und haben keinen Namen. Und niemand weiß, wie viele Tiere noch im Verborgenen leben.“

Ein weiterer Forschungsschwerpunkt ist die sogenannte Konnektivität, also der Austausch zwischen Populationen über größere Entfernungen. Laut Haeckel seien einige Arten über die gesamte Clarion-Clipperton-Zone und teilweise sogar über den gesamten Pazifik verbreitet. Dies deute auf einen genetischen Austausch hin. Über welche räumlichen und zeitlichen Zwischenschritte dieser stattfinde, sei bislang jedoch unbekannt.

Die Zerstörung einzelner Lebensräume könnte daher auch Auswirkungen auf weit entfernte Ökosysteme haben. Haeckel warnt, dass solche großräumigen Schäden möglicherweise erst erkannt würden, wenn es bereits zu spät sei. Eine Erholung des Ökosystems sei nicht zu erwarten, da durch den Abbau nicht nur die Lebensräume auf den Manganknollen dauerhaft verloren gingen, sondern auch die Prozesse im Sediment über Jahrtausende verändert würden.

Quelle: Reise in die Zeitlupenwelt der Tiefsee: Expedition untersucht ökologische Auswirkungen eines möglichen Tiefseebergbaus

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Die Bundesregierung hat ein Sofortprogramm zur Bergung von Munition in Nord- und Ostsee gestartet. Dafür wurden Bau und Betrieb einer Plattform beauftragt, mit deren Hilfe die Weltkriegsaltlasten auf See unschädlich gemacht werden sollen. Während in der Ostsee bereits Pilotprojekte laufen, werden parallel Räumkonzepte für die Nordsee entwickelt.

Das Forschungsschiff Heincke des Alfred-Wegener-Instituts (AWI) steuert derzeit mehrere Verklappungsgebiete in der Deutschen Bucht an. Ziel ist es, unter Sand verborgene Munition zu kartieren und damit eine spätere Pilotbergung vorzubereiten. Gleichzeitig untersuchen die Forschenden, welche Auswirkungen gelöste Explosivstoffe aus den Munitionsaltlasten auf Meeresorganismen haben.

Unterwasserroboter untersuchen historische Schiffswracks

Das Wrack der SMS Mainz, die im August 1914 westlich von Helgoland sank, wird bereits seit mehreren Jahren vom Forschungsteam um Dr. Matthias Brenner vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung, untersucht. Der Biologe leitet eine zweiwöchige Forschungsfahrt vom 17. bis 31. Oktober 2026 mit der Heincke. Neben der SMS Mainz steht auch das Wrack des Panzerkreuzers Blücher auf dem Untersuchungsprogramm.

Im Rahmen des Projekts REMARCO kommen verschiedene Unterwasserroboter zum Einsatz. Dazu gehören ein kabelgebundenes ROV des Deutschen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz sowie autonome Unterwasserfahrzeuge (AUVs). Sie sollen die Wracks kartieren und visualisieren, damit die Forschenden deren Zustand genauer analysieren können.

Matthias Brenner, Leiter des REMARCO-Projekts, erläutert: „Nach über 100 Jahren am Meeresgrund steigt die Gefahr, dass die Wracks kollabieren. Daher ist es wichtig, ihren Zustand zu überwachen. Außerdem treten mit zunehmender Korrosion auch giftige und krebserregende Explosivstoffe aus. Diese Schadstoffe bedrohen Meereslebewesen, Lebensmittelsicherheit und menschliche Gesundheit.“

Schadstoffbelastung und Auswirkungen auf Meereslebewesen

Um die Folgen austretender Schadstoffe zu erfassen, entnimmt das Expeditionsteam Wasser- und Sedimentproben in der Umgebung der Wracks. Darüber hinaus werden Fische und bodenlebende Organismen gesammelt und anschließend auf Explosivstoffe untersucht. Bei den Fischen prüfen die Forschenden zusätzlich den Gesundheitszustand. Dabei soll festgestellt werden, ob Tiere in der Nähe der Wracks häufiger Krankheiten und Tumore aufweisen als Fische aus unbelasteten Vergleichsgebieten.

Forschende von Senckenberg am Meer untersuchen außerdem die Artenzusammensetzung und Häufigkeit wirbelloser Organismen im Sediment, der sogenannten Infauna. Im Mittelpunkt steht dabei die Frage, wie diese mit der jeweiligen Schadstoffbelastung zusammenhängen.

Zusammenarbeit bei der Überwachung von Munitionsaltlasten

Während der Forschungsfahrt wird auch die Bundespolizei für einen Tag an Bord sein, um ein autonomes Unterwasserfahrzeug zu testen.

Matthias Brenner betont die Bedeutung der Zusammenarbeit: „In unseren Projekten arbeiten wir mit Behörden und der Industrie zusammen, damit wir die Risiken von Unterwassermunition besser überwachen und vermindern können. Auch die Entwicklung automatisierter Lösungen für die Überwachung und Sanierung zu entwickeln ist Ziel des Projekts, so dass diese Kooperation hervorragend zu unserer Mission passt.“

Magnetkartierung soll spätere Munitionsbergung vorbereiten

Im Anschluss an die Untersuchungen der Schiffswracks wird die Heincke im Rahmen des Projekts CONMAR sieben Verklappungsgebiete in der Deutschen Bucht anfahren. Dort wurde nach den Weltkriegen Munition im Meer versenkt. Da die Kampfmittel inzwischen teilweise unter Sand liegen, ist ihre Kartierung nur mithilfe magnetischer Messverfahren möglich. Dafür kommt das sogenannte MagWing-System des Unternehmens SeaTerra zum Einsatz.

„Wir freuen uns sehr, dass die Firma SeaTerra mit dem sogenannten MagWing dabei ist, um das Verklappungsgebiet zu untersuchen. Das ist bisher so noch nie gemacht worden und auch der Kampfmittelräumdienst weiß aktuell nicht, was dort genau am Meeresboden liegt“, erklärt AWI-Fahrtleiter Matthias Brenner.

Die Untersuchungen dienen zugleich als Vorbereitung für die geplante Räumung der Munitionsaltlasten im Rahmen des Sofortprogramms der Bundesregierung.

„Das ist auch eine Vorbereitung auf die Räumphase des Sofortprogramms zur Bergung von Munition in Nord- und Ostsee der Bundesregierung. Kürzlich wurden Bau und Betrieb einer Bergungsplattform beauftragt und jetzt wird es auch um Räumkonzepte für die Nordsee gehen. Dafür sind die Magnetkartierung sehr wichtig, damit man im Rahmen einer Pilotbergung Munition zielsicher freispülen kann.“

Quelle: Weltkriegsmunition in der Nordsee

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Bei der alkalischen Wasserelektrolyse spielen Nickel-Katalysatoren eine wichtige Rolle für die Sauerstoffentwicklung an der Anode. Forschende der Universität Ulm haben nun gezeigt, dass die katalytisch aktive Nickeloberfläche unter Reaktionsbedingungen anders aufgebaut ist als lange angenommen. Statt Nickeloxohydroxid (NiOOH) identifizierte das Forschungsteam Nickeldioxid (NiO₂). Die Ergebnisse stellen bisherige Modelle der Sauerstoffentwicklungsreaktion infrage.

Wasserelektrolyse: Nickeloberfläche anders aufgebaut als vermutet

Bei der elektrochemischen Wasserspaltung entsteht an der Kathode Wasserstoff und an der Anode Sauerstoff. Besonders die Sauerstoffentwicklungsreaktion (Oxygen Evolution Reaction, OER) ist mit Energieverlusten verbunden. Für die Effizienz der Elektrolyse ist deshalb entscheidend, wie gut die eingesetzten Katalysatoren diese Teilreaktion unterstützen.

Nickel gilt aufgrund seiner vergleichsweise geringen Kosten, seiner Robustheit und seiner katalytischen Aktivität unter alkalischen Bedingungen als geeignetes Material. Während des Betriebs verändern sich allerdings die chemischen Strukturen an der Elektrodenoberfläche. Diese Veränderungen bestimmen mit, an welchen Stellen Reaktionen stattfinden und welche Reaktionswege möglich sind.

Bislang wurde vielfach angenommen, dass sich während der Sauerstoffentwicklung eine aktive Schicht aus Nickeloxohydroxid (NiOOH) bildet. Die Untersuchungen der Ulmer Forschenden sprechen dagegen für eine Oberfläche aus Nickeldioxid (NiO₂).

Raman-Spektroskopie liefert neue Erkenntnisse

Um die tatsächliche Oberflächenstruktur zu untersuchen, nutzte das Forschungsteam die oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie (Surface-Enhanced Raman Spectroscopy, SERS). Damit lassen sich chemische Strukturen während einer laufenden elektrochemischen Reaktion analysieren. Solche Untersuchungen unter realen Reaktionsbedingungen werden als Operando-Messungen bezeichnet.

Für die Messungen wird eine dünne Schicht des untersuchten Materials auf eine raue Goldoberfläche aufgebracht. Diese verstärkt die Wechselwirkung zwischen dem Material und dem eingestrahlten Laserlicht. Aus den Raman-Spektren lassen sich anschließend Rückschlüsse auf die Schwingungseigenschaften und die chemische Struktur der Oberfläche ziehen.

Ein zentraler Bestandteil der Untersuchung war der Vergleich von Messungen in gewöhnlichem Wasser (H₂O) und deuteriertem Wasser (D₂O). Bei diesem Isotopenaustausch wird Wasserstoff durch Deuterium ersetzt. Enthält die untersuchte Struktur entsprechende OH-Gruppen, sollten sich charakteristische Veränderungen in den Raman-Spektren zeigen.

Die erwarteten Veränderungen blieben jedoch aus. Damit ergab sich ein wesentlicher Hinweis darauf, dass die bislang angenommene NiOOH-Struktur die Messdaten nicht ausreichend erklärt.

Nickeldioxid statt Nickeloxohydroxid

Zur weiteren Überprüfung kombinierten die Forschenden ihre spektroskopischen Messungen mit zyklischer Voltammetrie und Berechnungen auf Grundlage der Dichtefunktionaltheorie (DFT). Durch den Abgleich experimenteller und theoretischer Ergebnisse gelang es, die beobachteten Raman-Spektren zu rekonstruieren und der Nickeldioxid-Struktur zuzuordnen.

Der chemische Unterschied ist wesentlich: Nickeloxohydroxid enthält Wasserstoff, Nickeldioxid dagegen nicht. Damit müssen auch bisherige Vorstellungen über die Bindungsstellen für reagierende Teilchen sowie mögliche Reaktionsmechanismen an der Katalysatoroberfläche überprüft werden.

Die Studie wurde von PD Dr. Albert Engstfeld und Professor Timo Jacob am Institut für Elektrochemie der Universität Ulm koordiniert. Erstautor ist der Doktorand Justus Leist.

Spektrale Signale offenbar über Jahre fehlinterpretiert

Neben der chemischen Zusammensetzung der Nickeloberfläche untersuchte das Team auch die Interpretation bestimmter Raman-Signale. Mehrere bislang beobachtete Spektralbanden wurden häufig kurzlebigen Zwischenprodukten der Sauerstoffentwicklungsreaktion zugeschrieben.

Die Ulmer Untersuchungen zeigen jedoch, dass diese Signale auf sogenannte Obertöne zurückzuführen sind. Dabei handelt es sich um Schwingungsphänomene, deren Auftreten mit vereinfachten theoretischen Modellen nicht vollständig beschrieben werden kann.

Ergänzende Messungen an cobalt- und manganbasierten Oxiden deuten darauf hin, dass solche Obertöne insbesondere bei Materialien mit zweidimensional aufgebauten Schichten auftreten könnten. Die Beobachtung hat damit auch Bedeutung für die spektroskopische Untersuchung weiterer Katalysatormaterialien.

Bedeutung für die Entwicklung von Elektrolyse-Katalysatoren

Die Ergebnisse betreffen insbesondere das grundlegende Verständnis der Sauerstoffentwicklung in alkalischen Elektrolyseuren. Werden die chemische Struktur der aktiven Oberfläche oder einzelne Raman-Signale falsch zugeordnet, kann dies auch die Interpretation katalytischer Reaktionsmechanismen beeinflussen.

Die neue Zuordnung zu NiO₂ bietet eine Grundlage, bestehende Modelle der Nickel-Katalyse zu überprüfen. Das ist relevant für die gezielte Untersuchung von Oberflächenstrukturen, Reaktionswegen und möglichen Ansätzen zur Verbesserung der Sauerstoffentwicklungsreaktion.

Ein unmittelbar nachgewiesener Effizienzgewinn für industrielle Elektrolyseure ergibt sich daraus allerdings noch nicht. Die Studie liefert zunächst neue Erkenntnisse zur aktiven Oberfläche und zur Interpretation spektroskopischer Messungen.

Forschung im Sonderforschungsbereich zur Plasma-Elektrokatalyse

Die Arbeiten entstanden im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 1316 „Transiente Atmosphärendruckplasmen – vom Plasma zu Flüssigkeiten zu Festkörpern“ unter Federführung der Ruhr-Universität Bochum.

Die Ulmer Arbeitsgruppe beschäftigt sich innerhalb des Forschungsverbunds mit der Plasma-Elektrokatalyse. Dabei können höhere Stromdichten und Spannungen eingesetzt werden als in der klassischen Elektrokatalyse. Untersucht wird unter anderem, wie sich solche Bedingungen für die Herstellung katalytischer Materialien und für elektrochemische Messverfahren nutzen lassen.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:
PD Dr. Albert Engstfeld, Institut für Elektrochemie, E-Mail: albert.engstfeld@uni-ulm.de
Prof. Dr. Timo Jacob, Leiter des Instituts für Elektrochemie, E-Mail: timo.jacob@uni-ulm.de

Originalpublikation:
Leist, J., Neufischer, A., Jacob, T. et al. Consequences of overtones in Raman spectra for assigning nickel anode surface structures as NiO2 during alkaline electrolysis. Nature Catalysis (2026), 11 Sept. 2026, https://doi.org/10.1038/s41929-026-01613-9

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Extremwetter in Deutschland verändert zunehmend den Wasserhaushalt. Das Faktenpapier 2026 des Deutschen Wetterdienstes (DWD), des DAS-Basisdienstes und des Extremwetterkongresses zeigt, dass die jährlich verfügbaren Wasserressourcen zurückgehen. Gleichzeitig wurden 2026 an zahlreichen Fließgewässern neue Niedrigwasserextreme und hohe Wassertemperaturen beobachtet. Für die Wasserwirtschaft ergeben sich daraus zusätzliche Anforderungen an die Bewertung von Wasserverfügbarkeit und Klimarisiken. Das Papier steht zum kostenfreien Download bereit.

Extremwetter in Deutschland verändert die Wasserverfügbarkeit

Die langfristigen Daten zeigen einen Rückgang der jährlich verfügbaren Wasserressourcen. Während Deutschland im Zeitraum 1961 bis 1990 durchschnittlich 188 Milliarden Kubikmeter Wasser pro Jahr zur Verfügung standen, waren es zwischen 1991 und 2020 noch 176 Milliarden Kubikmeter. Das entspricht einer Abnahme um 12 Milliarden Kubikmeter.

Elf der vergangenen 15 Jahre lagen unter dem Mittelwert der Referenzperiode 1991 bis 2020. Besonders ausgeprägt war die Situation 2025 mit weniger als 100 Milliarden Kubikmetern. Der Durchschnitt für 1996 bis 2025 liegt bereits rund 5 Milliarden Kubikmeter unter dem Mittelwert von 1991 bis 2020.

Zu den Einflussfaktoren zählen veränderte Niederschlagsmuster, höhere Verdunstungsraten und abnehmende Schneerücklagen. Die Autoren beobachten zugleich eine Intensivierung nasser und trockener Witterungsphasen. Dabei unterscheiden sich die Entwicklungen regional und zwischen den einzelnen hydrologischen Kenngrößen.

Niedrigwasser und steigende Gewässertemperaturen

Im Jahr 2026 erreichten zahlreiche Fließgewässer nach Angaben des Faktenpapiers ihre niedrigsten Pegelstände seit Beginn der jeweiligen Aufzeichnungen. Die Veränderungen betreffen nicht nur die verfügbaren Wassermengen, sondern auch die thermischen Bedingungen in den Gewässern.

An der Messstation Koblenz wurde im Sommer 2026 mit 29,0 Grad Celsius der bislang höchste Tagesmittelwert der Wassertemperatur registriert. In den vergangenen beiden Jahrzehnten überwogen positive Temperaturanomalien, obwohl Wärmeeinleitungen beispielsweise aus thermischen Kraftwerken zurückgegangen sind. Hohe Wassertemperaturen können aquatische Ökosysteme belasten und die Nutzung von Oberflächenwasser einschränken.

Niedrige Rheinpegel beeinträchtigen die Binnenschifffahrt

Wie stark sich Niedrigwasser auf wirtschaftliche Nutzungen auswirkt, verdeutlichen Untersuchungen am Mittelrhein. In Niedrigwasserphasen der vergangenen Jahre gingen die registrierten Schiffspassagen um bis zu 35 Prozent und die modellierten Gütertransportmengen um bis zu 75 Prozent zurück. Als Vergleich dient das erste Quartal 2020.

Dass die transportierten Gütermengen stärker zurückgehen als die Zahl der Schiffspassagen, deutet auf eine deutlich reduzierte Auslastung der Binnenschiffe hin. Damit beeinflussen niedrige Wasserstände nicht nur die Befahrbarkeit, sondern auch die Wirtschaftlichkeit des Gütertransports.

NIWIS erweitert die Informationsgrundlage

Mit dem 2026 eingeführten Niedrigwasserinformationssystem NIWIS steht ein Instrument zur kurzfristigen Einordnung und Analyse von Wasserständen in Grund- und Oberflächenwasserkörpern in Deutschland zur Verfügung. Es ergänzt die bereits bestehenden Informationsangebote für Klimamonitoring und Klimarisikoanalysen.

Der DAS-Basisdienst stellt hierfür seit 2020 relevante Daten bereit. Für Wasserwirtschaft, Behörden und Versorgungsunternehmen sind solche Informationsgrundlagen wichtig, um die Entwicklung der Wasserverfügbarkeit zu verfolgen und regionale Risiken besser einzuordnen.

Meeresspiegelanstieg erhöht Risiken in Flussmündungen

Das Faktenpapier betrachtet erstmals auch marine Extreme und ihre Auswirkungen ausführlicher. Die Nordsee erreichte 2025 mit einer durchschnittlichen Oberflächentemperatur von 11,6 Grad Celsius einen neuen Jahresrekord. In der Ostsee lag der entsprechende Wert bei 9,7 Grad Celsius und damit auf dem zweithöchsten Niveau seit Beginn der Messreihen des Bundesamtes für Seeschifffahrt und Hydrographie.

Gleichzeitig liegt der Meeresspiegel an den deutschen Nord- und Ostseeküsten relativ zur Landoberfläche heute mehr als 20 Zentimeter höher als 1900. Dadurch steigt das Ausgangsniveau für Sturmfluten. Entsprechende Auswirkungen sind auch in tidebeeinflussten Flussmündungen zu erwarten, unter anderem an Elbe und Weser bis nach Hamburg und Bremen.

Bedeutung für die Wasserwirtschaft

Für die wasserwirtschaftliche Planung gewinnt die gemeinsame Betrachtung von Wasserverfügbarkeit, Niedrigwasser, Gewässertemperaturen und Extremniederschlägen an Bedeutung. Die dokumentierten Entwicklungen verdeutlichen, dass historische Mittelwerte allein nicht ausreichen, um zukünftige Belastungen zu bewerten.

Die Autoren halten die Entwicklung der Lufttemperaturen für wissenschaftlich eindeutig belegt. Bei Niederschlägen, Wind und gewässerbezogenen Kennwerten ist die Bewertung aufgrund überlagerter Prozesse differenzierter. Für die wasserwirtschaftliche Praxis unterstreicht dies den Bedarf an kontinuierlicher Beobachtung, regionalen Risikoanalysen und anpassungsfähigem Ressourcenmanagement.

Fazit

Das Faktenpapier 2026 dokumentiert einen langfristigen Rückgang der verfügbaren Wasserressourcen in Deutschland sowie neue Extreme bei Wasserständen und Gewässertemperaturen. Für die Wasserwirtschaft rücken damit die quantitative und qualitative Gewässerüberwachung sowie die vorausschauende Bewirtschaftung der Wasserressourcen weiter in den Mittelpunkt.

Das gesamte Papier steht zum kostenfreien Download bereit:

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Mit dem Willy-Hager-Preis werden jüngere Wissenschaftler:innen für hervorragende Arbeiten auf dem Gebiet der Verfahrenstechnik der (industriellen) Wasser- oder Abwasseraufbereitung ausgezeichnet. Bei den Arbeiten soll in der Regel die verfahrens-technische Problemlösung im Vordergrund stehen. Typischerweise handelt es sich dabei um Dissertationen. Die Arbeiten sollten nicht länger als drei Jahre zurückliegen und an einer deutschen Hochschule durchgeführt worden sein.

Der Willy-Hager-Preis ist mit 6.000 Euro dotiert. Dieser Betrag wird je zur Hälfte zwischen Preisträger:in und dem Hochschulinstitut, an dem die Arbeiten durchgeführt wurden, geteilt.

Bewerbungen können über die jeweilige Leitung des Hochschulinstitutes eingereicht werden.

Die Ausschreibung erfolgt durch die DECHEMA Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V. und die „Wasserchemische Gesellschaft“, Fachgruppe der Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V. (GDCh) im Namen und Auftrag der Willy-Hager-Stiftung. Über die Vergabe des Preises entscheidet der Stiftungsrat der Willy-Hager-Stiftung auf Vorschlag eines Sachverständigenkreises.

Quelle: Dechema

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Seit 1958 galt der Atlantische Lachs im Rhein als ausgestorben. In den 1990er-Jahren begannen erste Bemühungen, die Fischart wieder anzusiedeln. Im Rahmen des sechsjährigen Modell- und Demonstrationsvorhabens „Genetisches Monitoring zur Wiederansiedlung des Lachses im Rheingebiet“ (GeMoLaR) wurde untersucht, wie erfolgreich der Besatz mit Junglachsen aus Aufzuchtstationen ist und in welchem Umfang sich die Tiere bereits auf natürliche Weise vermehren. Die Ergebnisse zeigen, dass die Maßnahmen zur Rückkehr der Lachse beitragen. Eine sich selbst erhaltende Population konnte sich bislang jedoch nicht etablieren. Die Erkenntnisse des Projekts sind in einen praxisorientierten Leitfaden eingeflossen.

Jährlich werden mehr als eine Million Junglachse aus Aufzuchtstationen in Deutschland und Frankreich in ökologisch geeigneten Nebenflüssen des Rheins ausgesetzt. Ziel ist es, den Atlantischen Lachs langfristig wieder im Rheinsystem anzusiedeln. Die Maßnahmen orientieren sich am natürlichen Lebenszyklus der Wanderfische. Lachse schlüpfen in kühlen, klaren Fließgewässern und verbringen dort ihre erste Lebensphase. Spätestens im Alter von zwei Jahren wandern sie als sogenannte Smolts ins Meer ab. Nach mehreren Jahren kehren sie zum Laichen in ihre Heimatgewässer zurück.

Genetische Analysen geben Aufschluss über den Wiederansiedlungserfolg

Im Mittelpunkt des Projekts GeMoLaR stand die Frage, welchen Beitrag die verschiedenen Besatzmaßnahmen zum heutigen Lachsbestand leisten und wie viele Jungfische bereits aus natürlicher Fortpflanzung hervorgehen. Dazu analysierten die Forschenden insgesamt 15.566 genetische Proben Atlantischer Lachse aus dem Rheingebiet.

Die Ergebnisse bestätigen, dass die Wiederansiedlungsprogramme in Deutschland gemeinsam mit den Maßnahmen in Frankreich und der Schweiz die Rückkehr des Atlantischen Lachses in das Rheinsystem ermöglichen. Die heutigen Bestände weisen eine hohe genetische Vielfalt auf, die auf die unterschiedlichen Herkünfte der im Laufe der Jahre eingesetzten Lachse zurückzuführen ist.

Auch eine natürliche Fortpflanzung konnte nachgewiesen werden. Allerdings hängt der Lachsbestand weiterhin überwiegend von den Besatzmaßnahmen ab. Die natürliche Reproduktion trägt bislang nur in geringem Umfang zum Bestand bei. Zudem gingen die Zahlen der zurückkehrenden Lachse während der Projektlaufzeit insgesamt zurück. Zusätzliche Schwierigkeiten entstehen durch Niedrigwasser, steigende Wassertemperaturen und veränderte Abflussverhältnisse, die sowohl Wanderfische als auch andere Fischarten beeinträchtigen.

Neuer Leitfaden unterstützt das genetische Monitoring

Die im Projekt gewonnenen Erkenntnisse sollen dazu beitragen, die Wiederansiedlung bedrohter Fischarten künftig besser zu koordinieren. Dabei spielt insbesondere die Zusammenarbeit zwischen den Bundesländern und den angrenzenden Staaten eine wichtige Rolle.

Die entwickelten Methoden und der daraus entstandene Leitfaden bilden eine Grundlage für ein langfristiges genetisches Monitoring. Darüber hinaus enthalten sie konkrete Empfehlungen, wie das Reproduktionsmanagement verbessert und die Wiederansiedlung des Atlantischen Lachses weiter vorangetrieben werden kann.

Die Ansätze lassen sich auch auf andere Wanderfischarten sowie weitere Projekte des Fischereimanagements übertragen. Zudem wurde GeMoLaR als Fallstudie in die „Leitlinie zum genetischen Management von Besatzprogrammen für aquatische Arten“ (S. 55–56) der Welternährungsorganisation (FAO) aufgenommen.

Quelle: Neuer Leitfaden zur Wiederansiedlung von Atlantischen Lachsen im Rhein

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Die International Water Association (IWA) hat die Gewinner der IWA Project Innovation Awards 2026 bekannt gegeben. Die IWA zeichnete in Glasgow 23 Finalisten in sechs Kategorien mit Gold, Silber oder Bronze aus. Insgesamt hatten sich 320 Projekte aus 65 Ländern für die 15. Ausgabe der internationalen Auszeichnung beworben. Der Grand Innovation Award ging an ein chinesisches Projekt zur integrierten Abwasserbehandlung und Ressourcenrückgewinnung.

IWA Project Innovation Awards 2026: Hauptpreis geht nach China

Mit dem Grand Innovation Award 2026 zeichnete die IWA das Projekt „Transforming Wastewater into Value: A Megacity-Scale Water-Energy Nexus Model“ aus. Entwickelt wurde das Vorhaben von Zhongyuan Environmental Protection Co., Ltd. und der Kläranlage Zhengzhou Xinqu in China.

Im Mittelpunkt steht die Umwandlung einer konventionellen Kläranlage in ein integriertes Zentrum zur Wasser- und Ressourcenrückgewinnung. Das Konzept kombiniert weitergehende Abwasserreinigung, Wasserwiederverwendung, Klärschlammbehandlung und die Nutzung erneuerbarer Energiequellen.

Ein Bestandteil des Projekts ist die Behandlung des Abwassers mit funktionalen Materialien. Durch den Einsatz von Aktivkoks sollen auch neuartige Schadstoffe entfernt werden. Das entsprechend aufbereitete Wasser steht anschließend für die Wiederverwendung zur Verfügung.

Für die Klärschlammbehandlung setzt das Projekt auf Pyrolyse und Vergasung. Das dabei entstehende Pyrolysegas wird energetisch genutzt. Feste Rückstände sollen zu Recyclingbaustoffen weiterverarbeitet werden. Zusätzlich wird Wärmeenergie aus dem Abwasser zurückgewonnen und in das Gesamtsystem eingebunden.

Der Ansatz verknüpft damit verschiedene Verfahren zur stofflichen und energetischen Nutzung von Abwasser. Ziel ist es, die Ressourceneffizienz der kommunalen Abwasserwirtschaft zu verbessern und die Versorgungssicherheit in großen Städten zu unterstützen.

Sechs Goldauszeichnungen für internationale Wasserprojekte

Neben dem Grand Innovation Award vergab die IWA Gold-, Silber- und Bronzeauszeichnungen in sechs Kategorien. Die Goldpreise gingen an Projekte aus China, Portugal, den Vereinigten Arabischen Emiraten, Spanien und Kenia. Die ausgezeichneten Ansätze reichen von biologischen Reinigungsverfahren bis zur digitalen Bewirtschaftung wasserwirtschaftlicher Systeme.

Wassertechnologien und Infrastruktur

In der Kategorie „Zukunftsweisende Wassertechnologien und Infrastruktur“ erhielt das chinesische Wasser-Energie-Verbundprojekt aus Zhengzhou ebenfalls Gold. Die Jury würdigte damit die Verbindung von Abwasserreinigung, Wasserwiederverwendung und Ressourcenrückgewinnung.

Silber ging an IDE Water Technologies aus Israel für ein Projekt zur Verringerung des Gesamtsalzgehalts und zur Wasserwiederverwendung im Cherokee Metropolitan District. Bronze erhielten ein chinesisches Vorhaben zu energiearmen Membranbioreaktoren mit vibrierenden Membranen sowie eine Anlage zur vierten Reinigungsstufe zur Entfernung von Mikroschadstoffen in Flandern, umgesetzt von Sweco Belgium und Aquafin.

Leistungssteigerung und betriebliche Lösungen

Die Goldauszeichnung dieser Kategorie ging an Águas do Douro e Paiva aus Portugal. Das Projekt „From Waste to Roof Tiles: a Circular Economy Approach in the Portuguese Water Sector“ beschäftigt sich mit der stofflichen Nutzung von Reststoffen aus der Wasserwirtschaft zur Herstellung von Dachziegeln.

Silber erhielt ein chinesisches Projekt zur Gewässerrenaturierung und zum resilienten Betrieb wasserökologischer Infrastruktur im Einzugsgebiet des Shiwuli-Flusses. Bronze ging an die Kläranlage Winchburgh von Scottish Water sowie an ein Projekt der Public Utilities Board (PUB) aus Singapur, das Membranbioreaktoren mit MABR- und AGS-Technologien kombiniert.

Forschung und Entwicklung

In der Kategorie „Durchbrüche in Forschung und Entwicklung“ zeichnete die IWA ein chinesisches Projekt zur biologischen Abwasserbehandlung mit Gold aus. Die Beijing University of Technology und die Shenzhen Water and Environment Group entwickelten einen Ansatz mit anaerober, aerober und anoxischer Verfahrensführung (AOA). Dieser dient der weitergehenden Stickstoff- und Phosphorelimination auf der kommunalen Kläranlage Shenzhen Binhe.

Silber ging an das niederländische KWR Water Research Institute für KI-gestützte Strategien zur Weiterentwicklung von Wassersystemen. Bronze erhielten die Chinese Academy of Sciences für naturbasierte Maßnahmen gegen Geruchsbelastungen durch Cyanobakterien sowie die University of Technology Sydney für das Projekt EMISI zur Emissionsmessung im Sanitärbereich Indonesiens.

Planung und Umsetzung von Wasserprojekten

Gold in der Kategorie „Herausragende Planung und Umsetzung von Projekten“ erhielt das Meerwasserentsalzungsprojekt Hassyan in den Vereinigten Arabischen Emiraten. Die Anlage ist auf eine Kapazität von 180 Millionen Imperial Gallons pro Tag (MIGD) ausgelegt und nutzt das Umkehrosmoseverfahren (SWRO).

Zu den ausgezeichneten Projektpartnern gehören die Power Construction Corporation of China, SEPCOIII Electric Power Construction Co., Ltd. und ACWA Power International.

Silber ging an VA Tech Wabag für ein integriertes Abwasserinfrastrukturprojekt mit einer Kapazität von 150 Millionen Litern pro Tag in Patna, Indien. Bronze erhielt die Municipal Water and Sewage Company in Wroclaw für organisatorische Maßnahmen zur Verringerung von Wasserverlusten.

Governance und soziales Unternehmertum

In dieser Kategorie wurde die „Kiunga Solar Desalination and Water-for-Peace Initiative“ der Lamu County Government in Kenia mit Gold ausgezeichnet. Das Projekt kombiniert solare Meerwasserentsalzung mit der Initiative ‚Water-for-Peace‘.

Silber erhielt das Projekt WaterGov von LIS-Water und der Inter-American Development Bank zur Verbesserung der Steuerung im Wasser- und Sanitärsektor. Bronze ging an ein chinesisches Managementmodell zur integrierten Wasserbewirtschaftung in Rongcheng sowie an ein Projekt zur Ausweitung inklusiver Sanitärversorgung in Bangladesch.

Intelligente Systeme und digitale Wasserwirtschaft

Die Goldauszeichnung für intelligente Systeme erhielt der spanische Wasserversorger EMASESA aus Sevilla. Das Projekt „The Digital Reservoir“ verfolgt einen Ansatz zur integrierten Bewirtschaftung des Wasserkreislaufs auf Grundlage cyber-physischer Systeme.

Silber ging an Shenzhen Smart Water und die Shenzhen Water and Environment Group für ein Wasserverlustmanagementsystem im Maßstab einer chinesischen Megastadt.

Bronze erhielten Beijing Kingtrol Data Technology für die unternehmensweite Big-Data-Plattform DataMine sowie die Stadt North Miami Beach in den USA für ein KI-gestütztes Konzept zur Verbesserung der Resilienz kommunaler Versorgungsunternehmen.

Ressourcenrückgewinnung und Digitalisierung im Fokus

Die ausgezeichneten Projekte zeigen mehrere technologische Entwicklungslinien der internationalen Wasserwirtschaft. Dazu gehören die weitergehende Entfernung von Schadstoffen, die energieeffiziente Abwasserbehandlung und die Nutzung von Reststoffen als Sekundärrohstoffe.

Auch die digitale Steuerung wasserwirtschaftlicher Anlagen spielt eine Rolle. Die prämierten Vorhaben befassen sich unter anderem mit datenbasiertem Wasserverlustmanagement, cyber-physischen Systemen und dem Einsatz künstlicher Intelligenz.

Für kommunale Betreiber und Planer sind insbesondere die Verknüpfung unterschiedlicher Behandlungsverfahren sowie die Integration von Ressourcenrückgewinnung und Energieversorgung relevant. Die Projekte liefern Beispiele dafür, wie technische Konzepte in wasserwirtschaftliche Infrastrukturen eingebunden werden können.

Über die IWA Project Innovation Awards

Die International Water Association vergibt die Project Innovation Awards seit 2006. Die Auszeichnungen werden alle zwei Jahre im Rahmen des World Water Congress & Exhibition verliehen.

Die Bewertung erfolgt durch eine unabhängige Fachjury. Neben dem Innovationsgehalt und den erzielten Ergebnissen berücksichtigt sie die jeweiligen Entwicklungsbedingungen sowie das Potenzial für eine breitere Anwendung der Projekte.

Für die Ausgabe 2026 gingen 320 Bewerbungen aus 65 Ländern ein. Daraus wurden 23 Finalisten ausgewählt, die in den sechs Kategorien mit Gold, Silber oder Bronze ausgezeichnet wurden.

Quelle: IWA

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Meer- und Brackwasser könnten künftig eine Alternative zu anderen Wasserressourcen für die Wasserstoffproduktion darstellen. Bislang benötigen herkömmliche Elektrolyseure jedoch aufwendig aufbereitetes, hochreines Wasser. Im Projekt SeaEly untersuchten das Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme IWES und das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM deshalb, wie gut sich Meer- und Brackwasser für die Wasserstoffproduktion eignen und welche Prüf- und Testinfrastruktur dafür erforderlich ist.

Besonders interessant ist die direkte Nutzung von Meer- und Brackwasser für küstennahe und Offshore-Anwendungen. Wird Strom aus Windenergieanlagen unmittelbar in Wasserstoff umgewandelt, entsteht ein speicher- und transportierbarer Energieträger. Dieser kann beispielsweise als chemischer Rohstoff, zur Energieversorgung oder für die Herstellung von Ammoniak und synthetischen Kraftstoffen eingesetzt werden.

Das vom Fraunhofer IWES koordinierte Verbundprojekt SeaEly lief von Oktober 2022 bis März 2026 und war Teil des Ideenwettbewerbs „Wasserstoffrepublik Deutschland“. Untersucht wurde die direkte Elektrolyse von Meer- und Brackwasser zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff. Neben Fraunhofer IWES und Fraunhofer IFAM waren unter anderem die TU Berlin, die Whitecell Eisenhuth GmbH & Co. KG sowie das Institut für Seeverkehrswirtschaft und Logistik beteiligt. Gefördert wurde das Projekt vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR).

Meerwasser mit weniger Aufbereitung nutzen

„Die Idee war, zu prüfen, bis zu welchem Reinheitsgrad man das Meerwasser direkt in der Elektrolyse einsetzen kann, ohne die Geräte zu überfordern“, erklärt Dr. Nadine Menzel, Gruppenleiterin Elektrochemie und Analytik am Hydrogen Lab Leuna des Fraunhofer IWES.

Im Projekt wurde untersucht, inwieweit Meerwasser in der Elektrolyse als alternative Ressource zu Trink- und Brauchwasser eingesetzt werden kann. Am Fraunhofer IFAM entwickelten die Forschenden dafür neue Membranen für die Elektrolyse von nicht gereinigtem Meerwasser. Diese wurden mit einem modularen elektrochemischen Prüfstand untersucht.

Der Prüfstand ermöglicht es, Materialien unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen zu testen und anschließend gezielt zu analysieren. Dabei können unter anderem Ablagerungen, Veränderungen an Oberflächen sowie Korrosions- und Alterungsprozesse erfasst werden. Durch die Kombination von Materialentwicklung und Prüfung lässt sich die Stabilität der eingesetzten Komponenten unter verschiedenen Belastungen systematisch bewerten.

Membranen spielen eine zentrale Rolle

Bei der Wasserelektrolyse wird Wasser mithilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Eine wichtige Aufgabe übernimmt dabei die Membran. Sie trennt die beiden Reaktionsräume voneinander und ermöglicht gleichzeitig den für die elektrochemische Reaktion notwendigen Transport von Ionen. Vereinfacht funktioniert sie wie ein sehr feines Sieb, das bestimmte Ionen passieren lässt, während die entstehenden Gase möglichst voneinander getrennt bleiben.

Beim Einsatz von Meerwasser steigen jedoch die Anforderungen an die Komponenten. Chloride und weitere Inhaltsstoffe können Nebenreaktionen verursachen, sich auf Oberflächen ablagern oder Korrosions- und Alterungsprozesse begünstigen.

„Je unreiner wir mit unserem Elektrolyten werden, desto mehr stellt sich die Frage, wie lange halten unsere einzelnen Komponenten?“, sagt Andreas Brinkmann, Wissenschaftlicher Mitarbeiter aus der Abteilung Adhäsion und Grenzflächenforschung am Fraunhofer IFAM.

Materialien auf Verschleiß untersuchen

Um die Auswirkungen zu untersuchen, können am Fraunhofer IFAM verschiedene Elektrolyte und Zellkonfigurationen eingesetzt werden. Ergänzend zu elektrochemischen Messungen kommen Rasterelektronenmikroskopie, EDX, XPS und TOF-SIMS zum Einsatz. Damit lassen sich die Materialien nach den Versuchen detailliert analysieren. Auf diese Weise könne im Prinzip eine Verschleißgeschwindigkeit ermittelt werden, erklärt Brinkmann.

Parallel dazu entstand am Fraunhofer IWES ein größerer, multi-use-fähiger Prüfstand. Dort können unterschiedliche Elektrolysetechnologien und neu entwickelte Komponenten mit Brack- oder Salzwasser untersucht und miteinander verglichen werden. Dazu zählen PEM-, alkalische und AEM-Elektrolyse. Vielversprechende Materialien lassen sich so von kleineren Messzellen auf größere Aufbauten übertragen. Dadurch können die Forschenden neben dem Verhalten einzelner Materialien auch das Zusammenspiel mehrerer Zellen und weiterer Systemkomponenten untersuchen.

Langzeitstabilität rückt in den Fokus

Im Rahmen von SeaEly wurden Prüfstände und Komponenten für die Untersuchung der Elektrolyse mit Meer- und Brackwasser entwickelt und erste Machbarkeitsuntersuchungen durchgeführt. Die entstandene Infrastruktur schafft nun die Grundlage für systematische Langzeituntersuchungen. Im Mittelpunkt stehen dabei Alterung, Korrosion und Ablagerungen sowie die Frage, welchen Einfluss die Zusammensetzung des Elektrolyten auf die Lebensdauer der Komponenten hat.

Die im Projekt entwickelten Prüfstände werden bei Fraunhofer IFAM und Fraunhofer IWES auch nach Abschluss von SeaEly weiter eingesetzt. Untersucht werden damit unter anderem alternative Wasserquellen sowie die Eignung von Komponenten für die Elektrolyse. Darüber hinaus stehen die Prüfstände für Industrieprojekte und externe Anwendungen zur Verfügung.

Quelle: Ungereinigtes Meerwasser im Elektrolyseur: Fraunhofer testet Materialien und Membranen

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Bereits seit mehreren Jahren führt das Landesamt für Denkmalpflege und Archäologie (LDA) Sachsen-Anhalt taucharchäologische Untersuchungen im Arendsee im Altmarkkreis Salzwedel durch. Dabei sorgten unter anderem jungsteinzeitliche Fischzäune, ein hochmittelalterlicher Prahm – ein flachbodiges Lastschiff – sowie ein spätmittelalterlicher Einbaum für Aufsehen.

Im Sommer 2026 gelang den Forschenden eine weitere außergewöhnliche Entdeckung. Die neuen Funde führen rund 10.500 Jahre zurück in eine Zeit, in der die Menschen noch nicht dauerhaft sesshaft waren und sich vom Jagen, Sammeln und Fischfang ernährten. In dieser als Mesolithikum oder Mittelsteinzeit bezeichneten Epoche lebte auch die Schamanin von Bad Dürrenberg. Auch am Ufer des Arendsees hielten sich nachweislich bereits Menschen auf.

Besondere Bedingungen erhalten jahrtausendealte Spuren

Eine geologische Besonderheit des Arendsees hat dazu beigetragen, dass die Spuren der damaligen Besiedlung und der einstigen Uferlandschaft außergewöhnlich gut erhalten geblieben sind. Anders als viele Binnengewässer, die im Laufe der Jahrtausende langsam verlanden, sinkt der Grund des Arendsees durch geologische Prozesse über einem im Untergrund liegenden Salzstock langsam ab. Dadurch befinden sich die mesolithischen Funde heute unter einer dünnen Sedimentschicht in etwa 20 Metern Tiefe und sind ausgezeichnet konserviert.

Neben den für diese Zeit typischen Funden wie Steingeräten und Tierknochen konnten die Taucher auch selten erhaltene Hölzer bergen. „Die Funde werfen ein ganz neues Licht auf die Mittelsteinzeit, für die Spuren von Bauten bislang in Mitteldeutschland nur in Form von Erdverfärbungen bekannt sind“, erklärt Landesarchäologe Harald Meller. Nach ersten Erkenntnissen könnte es sich bei einem 1,60 Meter hohen Pfahl mit Fällspuren und bis zu 1,30 Meter langen Spaltbrettern um Überreste ehemaliger Konstruktionen handeln.

Bei einem etwa 1,60 Meter hohen Pfahl aus dem Arendsee mit Fäll- und Bearbeitungsspuren könnte es sich um das tragende Element eines mittelsteinzeitlichen Bauwerks gehandelt haben. Quelle: Juraj Lipták´Copyright: Landesamt für Denkmalpflege und Archäologie Sachsen-Anhalt

Welche Konstruktionen entstanden vor 10.500 Jahren?

Noch ist unklar, welchem Zweck die entdeckten Holzkonstruktionen dienten. „Ob wir hier Reste von Hütten, oder andere, bisher vollkommen unbekannte Holzkonstruktionen vor uns haben, ist Gegenstand der laufenden und zukünftigen Forschungen“, erläutert Marcel Weiß, Projektleiter auf Seiten des LDA Sachsen-Anhalt. Sollte sich zeigen, dass bereits vor 10.500 Jahren dauerhafte Bauten oder intensiv gestaltete Lebensräume existierten, könnte dies das bisherige Bild von Jägern und Sammlern verändern. Die Funde wären rund 3.000 Jahre älter als die Langhäuser der ersten Bauern in Mitteleuropa.

Bislang wird die grundlegende Umgestaltung der natürlichen Umwelt zu Kulturlandschaften vor allem mit den ersten Bauern verbunden, die um 5.500 vor Christus nach Mitteldeutschland einwanderten. Die Unterwasserarchäologie am Arendsee könne daher eine besondere Möglichkeit bieten, mehr über die Wurzeln moderner Kulturlandschaften zu erfahren.

Unterwasserroboter kartiert die Fundstelle

Nach der Entdeckung im Frühjahr 2026 wurden weitere Proben und einzelne Funde geborgen, um Alter und Ausdehnung der Fundstelle genauer zu bestimmen. In einer zweiten Kampagne arbeitete das LDA Sachsen-Anhalt mit dem Fraunhofer IOSB-AST in Ilmenau zusammen. Mithilfe eines Remote Operated Vehicles (ROV), eines ferngesteuerten Unterwasserroboters, entstanden hochauflösende Sonarscans des einstigen Uferreliefs.

Durch die genaue Bestimmung der einzelnen Fundlagen sollen Verdachtsflächen eingegrenzt und weitere unterwasserarchäologische Untersuchungen gezielt geplant werden. „Die Unterstützung der Arbeiten unter Wasser mit modernsten Technologien, die am Fraunhofer Institut in Ilmenau entwickelt werden, ist für die Archäologie von unschätzbarem Wert“, sagt Sven Thomas, Taucheinsatzleiter des LDA Sachsen-Anhalt am Arendsee.

Die rund 10.500 Jahre alten Funde aus dem Arendsee könnten neue Einblicke in die Zeit der Schamanin von Bad Dürrenberg ermöglichen. Sie steht derzeit im Mittelpunkt der Sonderausstellung „Die Schamanin“ im Landesmuseum für Vorgeschichte Halle (Saale).

Quelle: Reste von über 10.000 Jahre alten mittelsteinzeitlichen Holzkonstruktionen im Arendsee gefunden

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Die Erde nimmt derzeit mehr Wärme auf, als sie ins Weltall abgibt. Rund 90 Prozent dieser zusätzlichen Wärme werden von den Ozeanen aufgenommen. Das wirkt sich unter anderem auf den Meeresspiegel, marine Hitzewellen und Wetterphänomene wie El Niño aus.

Wie sich die Wärme innerhalb der Ozeane verteilt, lässt sich bislang mit frei treibenden Tauchbojen nur unvollständig erfassen. Forschende der Universität Bonn kombinieren deshalb Messungen dieser Bojen mit Satellitendaten zum Meeresspiegel. Auf dieser Grundlage können sie monatliche Karten erstellen und die Erwärmung des gesamten Ozeans rekonstruieren.

Messdaten und Klimamodelle zeigen Unterschiede

Über alle Weltmeere betrachtet stimmen die Ergebnisse der Forschenden weitgehend mit den Klimamodellen überein. Bei einzelnen Ozeanbecken zeigen sich jedoch deutliche Unterschiede zu den Modellsimulationen, die teilweise im zweistelligen Prozentbereich liegen. Besonders auffällig war die Entwicklung zwischen 2005 und 2015: In diesem Zeitraum nahm der Indische Ozean ungewöhnlich viel Wärme auf. Über die vergangenen 20 Jahre entfiel jeweils etwa ein Drittel der zusätzlichen Wärme auf Pazifik, Atlantik und Indischen Ozean. Nach Angaben der Forschenden deutet dies auf einen Wärmetransport zwischen den Ozeanen hin.

Für ihre Untersuchung kombinieren die Forschenden Bojenmessungen mit Daten verschiedener Satelliten. Radaraltimetersatelliten erfassen den Meeresspiegel sehr genau. Da sich Wasser bei steigenden Temperaturen ausdehnt, führt die Erwärmung zu einem Anstieg des Meeresspiegels im Millimeterbereich – ähnlich wie bei der Flüssigkeit in einem Thermometer.

Allerdings steigt der Meeresspiegel auch durch schmelzende Gletscher und Eisschilde. Um diesen Einfluss herauszurechnen, nutzt das Forschungsteam Messungen der GRACE-Satelliten. So lässt sich die Erwärmung des gesamten Ozeans bestimmen und ihre räumliche Verteilung abbilden. Die Bojendaten liefern zusätzlich Informationen über die Erwärmung der oberen Ozeanschichten. Dadurch können die Forschenden abschätzen, wie sich die zusätzliche Wärme in unterschiedlichen Tiefen verteilt.

Aufnahme von Wärmeenergie (OHU) in den großen Ozeanbecken, wie aus Satellitenmessungen der letzten 20 Jahre ermittelt. Copyright: Abbildung: Bernd Uebbing/Uni Bonn

Regionale Unterschiede genauer berücksichtigen

Ein neuer Bestandteil der Methode ist die Berechnung des Wärmeausdehnungskoeffizienten für verschiedene Regionen des Ozeans. Bislang wurde dieser Wert häufig als überall gleich angenommen. Nach Angaben der Forschenden kann dies zu erheblichen Fehlern führen.

Für die Untersuchung mussten große und sehr unterschiedliche Datensätze einheitlich ausgewertet werden. Moderne Rechenverfahren helfen dabei, Unterschiede in der Datenverteilung zu berücksichtigen und mögliche Fehlinterpretationen zu minimieren. Die Wärmeaufnahme und -verteilung in den Ozeanen kann sich innerhalb weniger Jahre deutlich verändern. Die Ursachen und Folgen dieser Veränderungen sind bislang noch nicht vollständig verstanden. Umso wichtiger seien langfristige und verlässliche Messungen durch Satelliten und Messsysteme im Meer.

Nach Ansicht der Forschenden sollte sich die Klimapolitik zudem nicht allein an der Entwicklung der mittleren Landoberflächentemperaturen orientieren. Der Ozean und insbesondere der Meeresspiegelanstieg seien als „Thermometer des Erdsystems“ besser geeignet, da sie deutlich geringeren Schwankungen unterliegen.

Analyse soll auf frühere Jahrzehnte ausgeweitet werden

Im nächsten Schritt wollen die Forschenden ihre Analyse auf frühere Jahrzehnte ausweiten. Da vor 1993 weniger Satellitendaten verfügbar sind, sollen dafür historische Messungen herangezogen werden. Künftig sollen außerdem Daten der Satelliten GRACE-C und NGGM in die Untersuchungen einfließen.

Originalpublikation: ESSD – Improving global and regional ocean heat content by consistently combining GRACE gravity, satellite altimetry and Argo profile observations in a joint inversion framework

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Forschende des Leibniz-Zentrums für Marine Tropenforschung (ZMT) und des Instituts für Chemie und Biologie des Meeres (ICBM) der Universität Oldenburg haben bislang unbekannte Mikroorganismen in den Kiemen von Korallenrifffischen entdeckt. Die Bakterien könnten vielfältige Stoffwechselfunktionen übernehmen. Besonders häufig stieß das Team auf eine neue Gruppe von Proteobakterien mit chemosynthetischem Potenzial.

Solche Bakterien können durch die Oxidation anorganischer Verbindungen Energie gewinnen und diese nutzen, um Kohlendioxid in Biomasse zu fixieren. Bekannt sind Mikroorganismen mit chemosynthetischen Fähigkeiten bereits aus verschiedenen marinen Lebensräumen und von wirbellosen Wirten wie Ringelwürmern und Weichtieren. Bei Fischen wurden sie nach Kenntnis der Forschenden bislang jedoch noch nicht dokumentiert.

Die Ergebnisse der in PLOS Genetics veröffentlichten Studie zeigen zugleich, dass Fischkiemen ein komplexes und spezialisiertes Mikrobiom beherbergen. Dieses ist bislang wenig erforscht, könnte aber eine wichtige Rolle für den Stoffwechsel, die Immunabwehr und die Gesundheit der Fische spielen.

Vom vermeintlichen Störfaktor zum Forschungsgegenstand

Für ihre Untersuchung griffen die Wissenschaftler auf Daten früherer Genomstudien an tropischen Hamletbarschen (Hypoplectrus spp.) aus der gesamten Karibik zurück. Dafür waren Hunderte Kiemenproben untersucht und die gesamte DNA in den Gewebeproben – das sogenannte Metagenom – sequenziert worden. Der Datensatz enthielt dadurch nicht nur die DNA der Fische, sondern auch die ihrer mikrobiellen Kiemenbewohner.

Ursprünglich interessierte sich das Team ausschließlich für die Fisch-DNA, um die Artbildung und Evolution der Tiere zu untersuchen. Die mikrobielle DNA sollte dagegen unberücksichtigt bleiben. Schließlich entschieden sich die Forschenden jedoch dafür, ihren Datensatz aus einer völlig anderen Perspektive zu analysieren.

„Früher haben wir uns bei unserer Arbeit ausschließlich auf die Fisch-DNA konzentriert und mikrobielle DNA als Verunreinigung betrachtet“, erinnert sich Oscar Puebla, Fischökologe am ZMT und Professor für Fischökologie am ICBM der Universität Oldenburg. „Eines Tages dachten wir uns: Warum betrachten wir die Sache nicht einmal aus der umgekehrten Perspektive, untersuchen das Mikrobiom der Kiemen und lassen die Fisch-DNA außer Acht?“

Aus diesem Perspektivwechsel entstanden neue Forschungsfragen. An den Untersuchungen waren neben ZMT und ICBM auch Kollegen vom Helmholtz-Institut für funktionelle marine Biodiversität (HIFMB) in Oldenburg sowie von den Universitäten Hongkong und Chicago beteiligt.

„Unser Plan bestand nun darin, herauszufinden, welche Mikroorganismen in den Kiemen dieser Fische leben, und so neue Aufschlüsse in das noch wenig erforschte Kiemenmikrobiom zu erlangen“, erklärt Sabrin Abdelghany, ehemalige Doktorandin am ZMT und Erstautorin der Studie.

Die Kiemen sind dabei ein besonders interessanter Lebensraum. Ihr Co-Autor Martin Helmkampf vom ZMT ergänzt: „Die Kiemen sind eine wichtige Schnittstelle zwischen dem Körper des Fisches und seiner Umwelt. Sie sind nicht nur für den Gasaustausch bei der Atmung von Bedeutung, sondern auch für die Immunabwehr, die Ausscheidung von Abfall- und Stoffwechselprodukten sowie für die Regulierung des pH-Werts und des Salzhaushalts im Körper.“

Weniger als fünf Prozent der DNA liefern neue Erkenntnisse

Mehr als 95 Prozent der aus den Kiemen gewonnenen DNA stammten von den Hamletbarschen. Auf die mikrobielle DNA entfielen weniger als fünf Prozent. Dieser vergleichsweise kleine Anteil genügte jedoch, um neue Erkenntnisse über das Kiemenmikrobiom zu gewinnen.

Den Forschenden gelang es, 70 bakterielle Genome aus insgesamt 17 Bakteriengruppen zu rekonstruieren. Die Mehrzahl dieser Bakterien war neu für die Wissenschaft. Zudem unterschied sich das Kiemenmikrobiom deutlich von der Gemeinschaft der Mikroorganismen im umgebenden Meerwasser. Die Zusammensetzung spricht nach Angaben der Forschenden dafür, dass das Mikrobiom der Kiemen nicht lediglich das Meerwasser-Mikrobiom widerspiegelt, mit dem die Tiere ständig in Kontakt kommen. Vielmehr scheint es speziell an das Leben auf den Kiemen angepasst zu sein.

Puebla sagt: „Die Gene in diesen neuen Bakteriengenomen deuten darauf hin, dass die in den Kiemen gefundenen Mikroorganismen eine Vielzahl von Stoffwechselfunktionen ausüben können, darunter zahlreiche potenzielle metabolische Wechselwirkungen sowohl zwischen verschiedenen Bakterien als auch zwischen den Bakterien und den Fischen.“

Hinweise auf Chemosynthese in den Fischkiemen

Eine weitere Entdeckung überraschte das Forschungsteam: Die am häufigsten in den Kiemen vorkommenden Bakterien verfügen über sämtliche Gene, die für die Chemosynthese erforderlich sind. Damit besitzen sie das Potenzial, Kohlendioxid zu binden. Die dafür benötigte Energie beziehen sie – anders als Pflanzen – nicht aus Sonnenlicht, sondern aus der Oxidation anorganischer Verbindungen.

„Wir haben die DNA von Proteobakterien aus der Familie der Burkholderiaceae mit chemosynthetischem Potenzial nachgewiesen“, berichtet Sabrin Abdelghany. „Bakterien mit solchen chemosynthetischen Fähigkeiten wurden bereits in verschiedenen Meereslebensräumen wie Tiefsee-Hydrothermalquellen oder in Verbindung mit Wirbellosen wie Ringelwürmern und Weichtieren gefunden. Nach unserem Kenntnisstand wurden sie bislang jedoch noch nicht bei Fischen dokumentiert.“

Bedeutung des Kiemenmikrobioms noch weitgehend unbekannt

Die Ergebnisse zeigen den Forschenden zufolge, dass die Kiemen ein komplexes und spezialisiertes Mikrobiom beherbergen. Welche Bedeutung diese Mikroorganismen für die Fische haben, ist allerdings noch weitgehend offen. Möglich ist, dass sie eine Rolle für Stoffwechsel, Immunsystem und Gesundheit spielen. Die neuen Erkenntnisse werfen deshalb weitere Forschungsfragen auf.

Helmkampf beschreibt es so: „Es ist wie zum ersten Mal durch einen Dschungel zu wandern, damit anzufangen, die dort lebenden Organismen zu untersuchen, und sich zu fragen, wie sie wohl miteinander interagieren.“

Puebla fasst zusammen: „Wir befinden uns eindeutig noch in einer Phase der Erkundung und Entdeckung und wissen so gut wie nichts darüber, welche Bedeutung das Kiemenmikrobiom für die Physiologie und Gesundheit von Fischen hat. Das ist sowohl für Aquakultur als auch für natürliche Populationen relevant, die mit raschen Umweltveränderungen konfrontiert sind.“

Originalpublikation: Proteobacteria with chemosynthetic potential are highly prevalent in the gills of Hypoplectrus reef fishes | PLOS Genetics

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Bei Hochwasser zählt oft jede Minute: Behörden müssen schnell erkennen, wo sich Wasser ausbreitet und welche Schutzmaßnahmen den größten Schaden verhindern. Im Forschungsprojekt BONSAI simulieren die Universität Siegen und 16 internationale Partner künftige, klimawandelbedingte Szenarien, um Schutzsysteme, Katastrophenschutz und Fachkräfteausbildung zu stärken – mit 10,7 Mio. Euro Budget, davon 6,42 Mio. Euro von der EU (Interreg North-West-Europe) und 634.000 Euro für die Uni Siegen.

„Durch den Klimawandel nehmen Starkregen, Sturmfluten und der Meeresspiegelanstieg zu. Dadurch geraten Deiche, Sperrwerke und andere Hochwasserschutzanlagen stärker unter Druck – vor allem in Gegenden rund um Flussmündungen“, erklärt Dr.

Dr. Evangelos Rozos, Leiter der Siegener Forschungsgruppe (Quelle: Universität Siegen/idw)

Evangelos Rozos, Leiter der Siegener Forschungsgruppe. „Es müssen robuste, physikalisch fundierte Methoden entwickelt werden, um zukünftige Hochwasserrisiken abzuschätzen und dieses Wissen in praktische, zuverlässige und anpassungsfähige Konzepte für den Hochwasserschutz zu überführen.“

Digitales Werkzeug für den Hochwasserschutz

Genau das soll im Projekt BONSAI umgesetzt werden. Von Seiten der Universität Siegen simuliert das Forschungsinstitut für Wasser und Umwelt (FWU) unter Prof. Dr. Jorge Leandro, wie sich Wasser bei Hochwasser über ein Gelände ausbreitet – unter Berücksichtigung von Topografie, Geländeeigenschaften und Randbedingungen. Gemeinsam mit der Universität Lille entwickelt Siegen zudem ein interaktives Online-Entscheidungsunterstützungssystem, das hydrodynamische Modellierung, räumliche Analyse und Optimierung verbindet. Es soll Einsatzkräfte dabei unterstützen, gefährdete Gebiete zu identifizieren, kritische Infrastruktur wie Krankenhäuser zu schützen und temporäre Schutzmaßnahmen – etwa mobile Hochwasserbarrieren – gezielt einzusetzen. Erprobt wird das Tool zunächst in der ostfriesischen Stadt Norden; viele Methoden sollen sich aber auch auf Binnenregionen wie Südwestfalen übertragen lassen.

Vom Forschungslabor in die Anwendung

Um im Projekt entwickeltes Wissen, Methoden und Werkzeuge direkt den Fachkräften zu präsentieren, richten die teilnehmenden Hochschulen regelmäßig Flood Academies (Flut Akademien) aus. September 2027 findet die Veranstaltung am Biggesee bei Olpe statt, veranstaltet durch die Uni Siegen. Die Veranstaltung richtet sich in erster Linie an Akteure, die unmittelbar für das Management von Hochwasserschutzmaßnahmen, die Katastrophenbewältigung sowie die Instandhaltung und den Betrieb von Deichen verantwortlich sind.

Eine internationale Gruppe von Expertinnen und Experten wird Vorträge und Diskussionsbeiträge anbieten. Die Teilnehmenden können sich über den aktuellen Stand der Forschung sowie über moderne Ansätze des Hochwasserschutzes aus verschiedenen Regionen und Perspektiven weltweit informieren. Das übergeordnete Ziel ist es, das Verständnis von Hochwasserrisiken zu erweitern und sowohl bekannte als auch weniger häufig berücksichtigte Gefahren für Hochwasserschutzanlagen in den Blick zu nehmen. Dabei geht es etwa darum, wie grabende Tiere die Stabilität von Deichen beeinflussen und wie sich Deiche mit schonenden Methoden stärken lassen, zum Beispiel, indem man gezielt geeignete Pflanzenarten einsetzt.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Evangelos Rozos, Universität Siegen
Evangelos.Rozos@uni-siegen.de

Prof. Dr. Jorge Leandro, Universität Siegen
jorge.leandro@uni-siegen.de

Quelle: Universität Siegen

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Fraunhofer UMSICHT entwickelt mit ARKON ein neues Verfahren für die vierte Reinigungsstufe. Mikroschadstoffe und ein Teil der PFAS werden dabei an Harz gebunden, das direkt vor Ort regeneriert und erneut eingesetzt werden kann. Das soll Ressourcen, Energie und Entsorgungskosten sparen. Auf der Kläranlage Wolfsburg soll das Verfahren nun unter realen Bedingungen demonstriert werden.

Arzneimittelrückstände, Pestizide und Industriechemikalien gelangen über das Abwasser in Flüsse, Seen und das Grundwasser. Bereits in niedrigen Konzentrationen können sie Ökosysteme beeinträchtigen und die Gesundheit gefährden. Herkömmliche Kläranlagen können viele dieser Mikroschadstoffe nur unzureichend entfernen. Als besonders langlebig gelten per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen (PFAS), die sich in der Umwelt und in Organismen anreichern.

Mit der 2025 in Kraft getretenen EU-Kommunalabwasserrichtlinie (KARL) steigen die Anforderungen an die Abwasserreinigung. Große Kläranlagen müssen schrittweise um eine vierte Reinigungsstufe erweitert werden. Insbesondere Hersteller von Arzneimitteln und Kosmetika werden dabei in die Verantwortung genommen und sollen künftig mindestens 80 Prozent der Investitions- und Betriebskosten tragen. Allein in Deutschland gelten die Anforderungen für gut 570 kommunale Kläranlagen. Der Investitionsbedarf wird auf bis zu 10,5 Mrd. Euro geschätzt. Hinzu kommen jährliche Aufwendungen im hohen dreistelligen Millionenbereich. Damit gewinnen nachhaltige und bezahlbare Technologien für die vierte Reinigungsstufe an Bedeutung.

Harz wird im Kreislauf wiederverwendet

Konventionelle Verfahren für die vierte Reinigungsstufe wie Aktivkohle und Ozonung sind technisch etabliert, benötigen jedoch Energie und Ressourcen. Forschende des Fraunhofer-Instituts für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT in Oberhausen entwickeln mit ARKON eine Alternative. Das Verfahren basiert auf den drei Schritten Adsorption, Regeneration und Konzentration.

Das biologisch gereinigte Abwasser strömt zunächst durch ein Harzbett. An dessen Oberfläche lagern sich Mikroschadstoffe sowie ein Teil der PFAS an. Anschließend werden die gebundenen Stoffe mithilfe von zwei unterschiedlichen Regenerationsmedien wieder vom Harz gelöst. Durch Filtration können die Regenerationsmedien danach weiter aufkonzentriert werden. So entsteht aus dem ursprünglichen Abwasserstrom ein kleinvolumiges Spurenstoffkonzentrat, das mit geringem Aufwand entsorgt werden kann. Die Regenerationsmedien verbleiben weitgehend im Prozess. Zusätzlich wird Wärme zurückgewonnen.

„Im Unterschied zu konventionellen Adsorptionsverfahren muss das Material nicht laufend ausgetauscht und kostenintensiv extern regeneriert werden. Bei ARKON führen wir es im Kreislauf. So verbinden wir eine leistungsfähige Adsorption mit einer ressourcenschonenden Regeneration“, erklärt Dr.-Ing. Lukas Rüller aus der Abteilung Circular Water and Biomass Utilization bei Fraunhofer UMSICHT.

Praxistest auf der Kläranlage Wolfsburg

Das UMSICHT-Team um Lena Fingerhut, Josef Robert und Lukas Rüller hat die entscheidenden Verfahrensschritte bereits im Labor und im Technikum erprobt. Als nächster Schritt soll ARKON auf der Kläranlage Wolfsburg in größerem Maßstab demonstriert werden. Geplant ist eine Teilstromanlage mit einem Durchsatz von 25 bis 50 m³ pro Stunde. Im Dauerbetrieb wollen die Forschenden unter anderem untersuchen, wie lange das Harz Schadstoffe bindet, wie häufig eine Regeneration erforderlich ist und wie sich der Energie- und Chemikalienverbrauch weiter reduzieren lässt.

Die Ergebnisse sollen verlässliche Auslegungsdaten für Kläranlagen unterschiedlicher Größe liefern und einen Vergleich mit Aktivkohle und Ozonung ermöglichen. Die Demonstrationsanlage in Wolfsburg soll zudem als Referenz für weitere kommunale Betreiber und Unternehmen im Anlagenbau dienen.

Darüber hinaus kommt das Verfahren auch für Anwendungen in der Chemie- und Pharmaindustrie, auf Deponien sowie in der Oberflächentechnik infrage.

Quelle: Vierte Reinigungsstufe: Kreislaufverfahren nimmt Mikroschadstoffe ins Visier

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Anthropogener Kohlenstoff hinterlässt inzwischen auch in tiefen Wassermassen des Nordatlantiks einen messbaren Fingerabdruck. Ein Forschungsteam des MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften der Universität Bremen hat anhand von Kohlenstoff-Isotopen untersucht, wie weit der sogenannte Suess-Effekt in den Ozean vorgedrungen ist. Die Ergebnisse zeigen das Signal in fast allen untersuchten Wassermassen.

Anthropogener Kohlenstoff verändert die Isotopensignatur

In seiner stabilen Form besteht Kohlenstoff aus den Isotopen C-12 und C-13. Pflanzen binden während der Photosynthese bevorzugt das leichtere C-12. Da Brennstoffe überwiegend aus fossilem Pflanzenmaterial bestehen, enthalten diese vergleichsweise wenig des schweren Kohlenstoffisotops C-13. Durch ihre Verbrennung nimmt deshalb das Verhältnis von C-13 zu C-12 in der Atmosphäre ab. Durch den Austausch mit der Atmosphäre übernimmt das Oberflächenwasser zunehmend diese veränderte Isotopensignatur. Durch vertikale Vermischung und die Bildung von Tiefenwasser kann der anthropogene Kohlenstoff tief in den Ozean transportiert werden.

Messungen entlang des Nordatlantiks

Neue Messungen zeigen nun, wie weit dieses anthropogene Kohlenstoffsignal bereits in die Tiefenwassermassen des Nordatlantiks vorgedrungen ist. Für ihre in der Fachzeitschrift Geophysical Research Letters veröffentlichten Studie untersuchte das Team um Emma Bavoux Kohlenstoff-Isotopenverhältnisse in Wasserproben, die während zweier Expeditionen mit dem Forschungsschiff MARIA S. MERIAN in den Jahren 2017 und 2018 entlang eines Schnitts bei etwa 48° Nord durch den gesamten Nordatlantik gewonnen wurden. Zusätzlich nutzten die Forschenden frühere Messungen des ebenfalls durch menschliche Aktivitäten erzeugten Spurengases Schwefelhexafluorid (SF₆), um den von Menschen verursachten Anteil im Kohlenstoff-Isotopenverhältnis abzuschätzen.

„Uns hat überrascht, wie groß der Suess-Effekt in den Tiefenwassermassen des Nordatlantiks bereits ist“, sagt Emma Bavoux.

Suess-Effekt nachweisbar bei bis zu 2.000 Metern

Der Suess-Effekt ist mittlerweile in fast allen untersuchten Wassermassen des Nordatlantiks nachweisbar. Junge, unter der Oberfläche liegende Wassermassen im Nordatlantik oder solche, die zuletzt Kontakt zur Atmosphäre hatten, wiesen den stärksten Suess-Effekt auf. Der Suess-Effekt war in tiefen, alten Wassermassen wie dem Nordostatlantischen Tiefenwasser, die wahrscheinlich seit mehreren hundert Jahren keinen Kontakt zur Atmosphäre hatten, äußerst schwach oder nicht nachweisbar. Proben aus dem westlichen Nordatlantik hingegen – das Labradormeerwasser und die durch die Dänemarkstraße strömenden und anschließend in größere Tiefen absinkenden Wassermassen – wiesen seit der vorindustriellen Zeit einen Suess-Effekt von etwa 0.3 bis 0.6 Promille auf. Den Forschenden gelang es darüber hinaus, einen großen ozeanischen Wirbel in der Labradorsee zu beobachten, der ein deutliches Suess-Effekt-Signal in Wassertiefen von bis zu 2.000 Metern transportiert.

Bedeutung für Kohlenstoffkreislauf und Ozeanforschung

Die Veröffentlichung zeigt, dass sich die Spuren industrieller Aktivitäten zunehmend im Ozean nachweisen lassen. Die Forschenden weisen aber auch darauf hin, dass der Suess-Effekt bereits in den Schalen von Mikrofossilien nachweisbar ist. Dazu gehören etwa die sogenannten Foraminiferen, die in den letzten Dekaden am Ozeanboden abgelagert wurden.

„Mit dem Suess-Effekt konserviert der Ozeanboden Signale menschlichen Ursprungs, die nun langfristig in diesen geologischen Archiven den Beginn des Anthropozäns markieren“, sagt Stefan Mulitza, Mitautor der Studie. „Wie stark sich diese stratigraphische Grenze ausprägen wird, hängt vor allem von der Entwicklung der zukünftigen Kohlendioxid-Emissionen ab.“

Originalpublikation:
Bavoux, E., Mulitza, S., Steinfeldt, R., Kuhnert, H., Martinez-Mendez, G., & Pälike, H.: Anthropogenic carbon isotope signals in North Atlantic water masses at 48°N. Geophysical Research Letters, 53, e2025GL121339. https://doi.org/10.1029/2025GL121339

Wissenschaftliche Ansprechpartner:
MSc. Emma Bavoux
MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen
ebavoux@marum.de
Dr. Stefan Mulitza
MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen
smulitza@marum.de

Quelle: MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften an der Universität Bremen

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Normalerweise werden Cyanobakterien als im Wasser schwebende Organismen wahrgenommen, die unter günstigen Bedingungen sichtbare Blüten bilden. Es gibt jedoch auch Arten, die auf Wasserpflanzen wachsen – sogenannte pflanzen-assoziierte Cyanobakterien. Einige davon gelten als potenziell toxisch und können Nervengifte wie z. B. Anatoxine und Saxitoxine produzieren.

Mehr als nur Algenblüten

Ein neuer Übersichtsartikel zeigt, dass solche pflanzen-assoziierten Cyanobakterien keineswegs auf bestimmte Gewässertypen beschränkt sind. Die Forschenden dokumentierten entsprechende Vorkommen in 107 Süßwassersystemen in zwölf Ländern auf fünf Kontinenten. 97 der Fälle stammen aus Seen, Speichern und Teichen, zehn aus Flüssen, Bächen oder anderen Fließgewässern. Die untersuchten stehenden Gewässer reichten von einem bis 30.400 Hektar Fläche und von 1,8 bis 288 Metern maximaler Tiefe.
Besonders bemerkenswert: Die Organismen wurden auch in nährstoffarmen, oligotrophen Gewässern gefunden. Ihr Auftreten ist somit nicht auf stark nährstoffbelastete Seen und Flüsse beschränkt, in denen klassische Cyanobakterienblüten besonders häufig sind.

Die Übersicht umfasst mindestens 24 Wasserpflanzenarten, die mit toxischen oder potenziell toxischen Cyanobakterien in Verbindung gebracht wurden. Dazu zählen untergetauchte, schwimmende und über die Wasseroberfläche ragende Pflanzen. Häufig genannt werden Wasserpest (Hydrilla verticillata), Tausendblatt (Myriophyllum spicatum) und Hornblatt (Ceratophyllum demersum).

Bisher wenige beachtet

„Anders als frei schwebende Cyanobakterien können pflanzen-assoziierte Formen oft kleinräumig und ungleichmäßig verteilt auftreten. Die routinemäßige Wasserüberwachung konzentriert sich jedoch vielfach auf die Wassersäule. Dadurch können Vorkommen auf Pflanzen unentdeckt bleiben“, erläutert IGB-Forscherin Dr. Sabine Hilt, Erstautorin des Artikels.

Das ist insbesondere für die Uferzone relevant. Dort kommen Menschen und Tiere am häufigsten mit Wasserpflanzen in Kontakt. Werden Pflanzen durch Wellen, Strömungen oder andere Kräfte losgerissen, können sie die auf ihnen lebenden Cyanobakterien bis ans Ufer transportieren. In Europa und Nordamerika wurden bereits Todesfälle von Hunderten Vögeln und mindestens 26 Hunden mit pflanzen-assoziierten Cyanobakterien in Verbindung gebracht.

„Pflanzen-assoziierte Cyanobakterien sind bislang deutlich weniger untersucht als frei schwebende Formen. Unsere Übersicht zeigt, dass wir bei der Überwachung von Süßgewässern nicht nur in die Wassersäule schauen sollten, sondern auch auf die Lebensgemeinschaften auf Wasserpflanzen“, sagt Sabine Hilt.

Auch für aquatische Nahrungsnetze sind die Organismen relevant. Pflanzenfresser können Cyanobakterien mit ihrer Nahrung aufnehmen, während Zooplankton und wirbellose Tiere die Aufwuchsgemeinschaften abweiden. Hinweise auf einen Transfer von Toxinen durch Nahrungsnetze gibt es bereits. Wie häufig und unter welchen Bedingungen dieser Weg zu einer relevanten Belastung von Tieren führt, ist jedoch noch nicht zuverlässig bekannt.

Offen ist insbesondere, welche Umweltbedingungen das Wachstum und die Toxinproduktion auf Wasserpflanzen fördern. Ebenso fehlen belastbare Daten dazu, wie empfindlich verschiedene Tierarten auf die Toxine reagieren und wie stark diese in aquatischen und terrestrischen Nahrungsnetze weitergegeben werden. Ein pauschales Gesundheitsrisiko für Menschen lässt sich aus den bisherigen Befunden daher nicht ableiten.

Die Übersicht macht damit eine bislang wenig beachtete Lücke sichtbar: Wer toxische Cyanobakterien in Süßgewässern erfassen will, muss nicht nur ins Wasser schauen, sondern auch auf die Pflanzen darin.

Originalpublikation:
Sabine Hilt, Pablo Barrancos, Elena M Bezzubova, Haowu Cheng, Lea Drescher, Petr Dvořák, Hans-Peter Grossart, Ferdi Hellweger, Sven Meissner, Michael T Monaghan, Timo H J Niedermeyer, Alexander R Pelletier, Charlotte Schampera, Nikola Stankovic, Christoph van Thriel, Susan B Wilde, Susanna A Wood, Jutta Fastner, Aquatic plant-associated toxic cyanobacteria—a new threat to freshwater ecosystems, BioScience, 2026;, biag095, https://doi.org/10.1093/biosci/biag095

Wissenschaftliche Ansprechpartner:
Dr. Sabine Hilt, IGB

Quelle: Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB)

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Seit dem Jahr 2012 besteht die Klimapartnerschaft zwischen der Stadt Oldenburg und der südafrikanischen Buffalo City Metropolitan Municipality (BCMM). Seit Februar 2022 wird diese Partnerschaft um die Betreiberpartnerschaft zwischen dem Oldenburgisch-Ostfriesischen Wasserverband (OOWV), dem Wupperverband und BCMM ergänzt. Gemeinsam setzen die Stadt Oldenburg und die Betreiberpartnerschaft seit November 2023 das Modellprojekt „Entwicklung einer energieeffizienten Kläranlage in East London“ um. Gefördert wird dies durch das Bundesministerium für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (BMZ) über das Förderprogramm für kommunale Klimaschutz- und Klimaanpassungsprojekte (FKKP). Ziel ist es, den Energieverbrauch der Kläranlage zu optimieren und einen Teil des Strombedarfs mit Photovoltaik selbst zu erzeugen.

Südafrikanische Fachkräfte besuchen OOWV-Anlagen

Projektingenieur Ingo Schuster führte die Besuchergruppe durch den Neubau des Wasserwerks Marienhafe (Quelle: Heino Hermanns/OOWV)

Kurz vor Projektende besuchte eine Delegation aus den Bereichen Wasser, Abwasser, Energie und internationale Beziehungen den OOWV. Auf dem Programm standen unter anderem die Klärschlammtrocknung Riepe, das Wasserwerk Marienhafe, die Kläranlage Oldenburg und das Wasser- und Waldzentrum Schortens.

„Wir brauchen den globalen Blick, um lokal auf Veränderungen reagieren zu können“, sagt OOWV-Geschäftsführer Karsten Specht. „Der direkte Austausch zwischen Expertinnen und Experten auf allen Ebenen macht die Partnerschaften so gewinnbringend für beide Seiten.“

Ein Schwerpunkt des Austauschs liegt auf der Frage, welche Technologien sich unter den Bedingungen in Südafrika einsetzen lassen. OOWV-Ingenieur Gerold Eiben verweist etwa auf Vandalismus und Materialdiebstahl, die den Betrieb technischer Anlagen erschweren.

„Das bedeutet aber auch, dass sehr viel improvisiert wird und die Technik so einfach wie möglich gehalten werden muss.“

Potenzial sehen die Beteiligten insbesondere bei Photovoltaik. OOWV-Projektkoordinatorin Anna Hörlein erklärt:

„Die Tatsache, dass Solarenergie bei uns funktioniert, obwohl das Potential nicht annähernd so hoch ist wie in Südafrika, hat die Partner überzeugt, es auch auszuprobieren.“ Die Zusammenarbeit mit so vielen verschiedenen Akteuren wie der Stadt Oldenburg, verschiedenen wissenschaftlichen Einrichtungen wie dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt und den Partnern von der Betreiberpartnerschaft klappe hervorragend. „Ich bin dankbar, dass ich so viele verschiedene Sichtweisen auf das Projekt kennenlernen kann und wir alle an einem Strang ziehen.“

16 Klärwärter bereits geschult

Neben der Technik ist der Wissenstransfer Bestandteil der Partnerschaft. Nach Angaben von BCMM haben bereits 16 Klärwärter an speziellen Trainings teilgenommen.

„Durch das Pilotprojekt wollen wir Erfahrungen sammeln im Umgang mit neuen Technologien“, sagt Ayanda Skwebu, stellvertretender Bereichsleiter für Wasser und Abwasser bei BCMM. Die Erfahrungen mit Photovoltaik, Klärschlammverwertung und Biogas unterstützten die Entscheidungsfindung in Südafrika. „Wir würden daher gerne weitere Projekte durchführen.“

Modellprojekt geht in die Schlussphase

Das Projekt soll im Dezember 2026 enden. Mit dem Delegationsbesuch geht die Zusammenarbeit damit in ihre Schlussphase. Die beteiligten Fachkräfte wollen die gewonnenen Erfahrungen unter anderem für Entscheidungen über Photovoltaik, Biogas und weitere technische Maßnahmen in der südafrikanischen Wasser- und Abwasserwirtschaft nutzen.

Für die wasserwirtschaftliche Praxis zeigt das Projekt zugleich, dass Energieeffizienz und Eigenversorgung nicht losgelöst von den örtlichen Betriebsbedingungen betrachtet werden können. Technische Konzepte müssen zu Infrastruktur, verfügbarem Fachwissen und den konkreten Herausforderungen des Anlagenbetriebs passen. Der Austausch zwischen Betreibern kann dabei helfen, Erfahrungen aus unterschiedlichen Rahmenbedingungen für neue Lösungen nutzbar zu machen.

Quelle: Oldenburgisch-Ostfriesischer Wasserverband

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In diesem Hitzesommer wurden in Deutschland vielerorts nicht nur Temperaturrekorde erreicht. Aufgrund anhaltender Wasserknappheit galten regional auch Bewässerungsverbote. Trockene Gärten und Grünflächen sowie Ernteausfälle in der Landwirtschaft zeigen, wie wichtig ein effizienter Umgang mit der Ressource Wasser wird.

Wie lässt sich Wasser einsparen und gleichzeitig eine ausreichende Versorgung von Nutzpflanzen gewährleisten? Mit dieser Frage beschäftigt sich ein Forschungsprojekt der Universität Osnabrück. Mithilfe KI-gestützter Überwachung wollen die Forschenden untersuchen, wie sich Trockenstress bei Pflanzen zuverlässig erkennen lässt und wie darauf aufbauend ein intelligentes Wassermanagement umgesetzt werden kann.

Menschliche und künstliche Intelligenz verbinden

„Wir sehen Pflanzen beim Sterben zu“, bringt Piper Powell ihre Forschungsarbeit auf den Punkt und lacht.

Eigentlich hat die 28-Jährige mit Botanik wenig am Hut: Sie ist Informatikerin und Teil des HybrInt-Teams. HybrInt ist ein gemeinsames Projekt der Universität Osnabrück und der Universität Hannover und wird vom Niedersächsischen Ministerium für Wissenschaft und Kultur mit rund drei Millionen Euro gefördert. Unterstützt wird das Projekt zudem durch die Zusammenarbeit mit dem Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Osnabrück. Dazu gehört unter anderem ein Gärtnermeister, der sich um die Versorgung der Versuchspflanzen kümmert.

Ziel von HybrInt ist es, KI-Methoden zu entwickeln, die Stärken menschlicher Intelligenz wie Kreativität und Intuition mit den Fähigkeiten maschineller Systeme, beispielsweise bei der Verarbeitung großer Datenmengen, verbinden. Das intelligente Wassermanagement bildet dabei eines der Teilprojekte.

Roboter ADA sammelt Daten über Pflanzen

Eine zentrale Rolle übernimmt der „Agricultural Data Acquisition Robot“, kurz ADA. Der Roboter wurde 2025 von einem Team der Universität Osnabrück und des DFKI entwickelt und kommt in einem Folientunnel auf dem Gut Arenshorst in der Gemeinde Bohmte zum Einsatz. Ausgestattet mit RGB-, Hyperspektral-, Tiefen- und Wärmebildkameras kann das tischmontierte System Tausende Bilder pro Stunde aufnehmen. Bei einem einzigen Versuch können auf diese Weise automatisch Datenmengen im Terabyte-Bereich entstehen.

Aktuell erfasst ADA die Pflanzen zunächst während ihres Wachstums und anschließend während einer gezielt herbeigeführten Trockenstressphase.

„Wir lassen die Pflanzen kontrolliert austrocknen und nehmen sie dabei auf“, erläutert Prof. Dr. Martin Atzmüller, Professor am Institut für Informatik der Uni Osnabrück und Leiter des Forschungsbereichs Kooperative und Autonome Systeme am DFKI.

Die gewonnenen Daten dienen dazu, neue Modelle zu trainieren, die den aktuellen Zustand einer Pflanze möglichst zuverlässig erkennen können.

„Das Ziel ist es, Ressourcen gezielt dort einzusetzen, wo und wann sie am meisten gebraucht werden“, so Atzmüller.

Wenn vertrocknete Pflanzen wieder zum Leben erwachen

Wie schwierig es sein kann, den tatsächlichen Zustand einer Pflanze einzuschätzen, zeigte sich auch während der Versuche.

„Wir hatten dabei auch schon den einen oder anderen Zombie-Moment“, sagt Piper Powell.

Die Doktorandin und ihre Kollegen Amos Smith und Isaak Ihorst hatten bereits völlig vertrocknet wirkenden Zuckerrüben-Pflänzchen wieder Wasser gegeben – mit überraschendem Ergebnis: Die Pflanzen erholten sich. Powell zufolge sei es daher gar nicht so leicht festzustellen, wann eine Pflanze tatsächlich abgestorben sei – zumindest bei Zuckerrüben.

Offene Daten für ein intelligentes Wassermanagement

Ergänzt werden die von ADA erhobenen Informationen durch sogenannte Ground-Truth-Daten zum Trockenstress. Dazu zählen unter anderem Messungen des Wassergehalts in den Blättern, die anhand der Blattdicke und des relativen Wassergehalts bestimmt werden. Zusätzlich dokumentieren die Forschenden den Gesundheitszustand der Pflanzen sowie einen möglichen Schädlingsbefall.

Die gesammelten Daten werden anschließend über OsnaData, die Forschungsdatenbank der Universität Osnabrück, öffentlich bereitgestellt.

„Indem wir die Daten offen zugänglich machen, schaffen wir eine wertvolle Grundlage für weitere wissenschaftliche Arbeiten“, so Prof. Dr. Joachim Hertzberg von der Uni Osnabrück.

Damit sollen die Forschungsergebnisse nicht nur innerhalb des HybrInt-Projekts genutzt werden, sondern auch weiteren wissenschaftlichen Arbeiten zugutekommen und langfristig die Entwicklung eines intelligenten und ressourcenschonenden Wassermanagements unterstützen.

Quelle: HybrInt-Projekt: Mit KI gegen den Trockenstress

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Till-Hendrik Macher und Robin Schütz, damals beide Doktoranden in der Biologie der Universität Duisburg-Essen, fuhren ein Jahr lang alle zwei Wochen zur renaturierten Lippemündung bei Wesel und filtrierten je zwei Wasserproben – 26 Termine, 52 Proben. Darin konnten sie in Summe 1.072 Arten nachweisen:

• 40 Fisch- und Neunaugenarten,
• 41 Vogel- und 26 Säugetierarten,
• 425 aquatische,
• 350 terrestrische Wirbellose und
• 190 Arten von Kieselalgen

Zum Vergleich: Für denselben Ort sind in der globalen Biodiversitätsdatenbank GBIF insgesamt 1.029 Arten registriert, die in über 130 Jahren zusammengetragen wurden.

DNA-Metabarcoding bildet Artenvielfalt und saisonale Muster ab

Bei der klassischen Methode werden Organismen einzeln mit Kescher, Pinzette, Lupe und Mikroskop bestimmt. Mittels DNA-Metabarcoding lassen sich Arten hingegen über ihre Erbinformationen identifizieren, die sich in den Proben nachweisen lassen.

„Wir haben mit zwei Litern Wasser pro Termin 1.072 Arten quer durch den Stammbaum des Lebens nachgewiesen – von Kieselalgen über Eintagsfliegen bis zum Biber“, sagt Till-Hendrik Macher, Erstautor der Studie, der inzwischen an der Universität Trier forscht. „Und wir konnten nachweisen, dass unsere Daten tatsächlich die Biologie der Lippe abbilden und nicht nur zufällig in den Fluss gespülte DNA ist“, ergänzt Robin Schütz, mittlerweile Wissenschaftler am Bundesamt für Naturschutz. „Denn Winterlaicher wie Quappe und Hecht zum Beispiel zeigten ihre DNA-Maxima im Winter, die Blässgans genau in ihrer Überwinterungszeit.“

Auch ökonomisch ist der Ansatz interessant, denn der Bedarf an solchen Daten wächst: Sowohl das globale Biodiversitätsrahmenwerk von Kunming-Montreal (GBF) als auch die nationalen und europäischen Berichtspflichten verlangen eine räumliche und zeitliche Datendichte, die mit klassischen Methoden kaum zu leisten ist.

Effizienz bei geringeren Kosten

Mit der Methode von Macher und Schütz kostete die Analyse aller 52 Proben rund 12.000 Euro. Eine vergleichbare klassische Erfassung derselben Organismengruppen über ein Jahr würde etwa 70.000 Euro kosten – rund das Sechsfache. Für die EU-Wasserrahmenrichtlinie werden derzeit pro Fluss im Schnitt 1,71 der vier biologischen Qualitätskomponenten (Fische, Wirbellose, Mikroalgen, Wasserpflanzen) untersucht, bei den wenigsten Gewässern alle vier.
Eine Kombination aus einer klassischen Erfassung mit drei Erhebungen, die auf Umwelt-DNA basieren, käme auf alle vier – bei etwa 115 Prozent des bisherigen Budgets.

„Die Rechnung zeigt, welches Potenzial in der Kombination der Methoden steckt“, sagt Florian Leese, Leiter der AG Aquatische Ökosystemforschung an der UDE. „Denn Biomasse und Individuenzahlen liefert die Umwelt-DNA nicht, sodass wir weiterhin auch andere Methoden brauchen, um ein vollständiges Bild zu bekommen.“

Die Untersuchungen entstanden im Rahmen der Projekte GeDNA und TrendDNA, gefördert vom Umweltbundesamt (FKZ 3719242040, Projektnummer 156318), in Kooperation mit Emschergenossenschaft und Lippeverband (EGLV).

Originalpublikation:
Macher T-H, Schütz R, Arle J, Beermann AJ, Haase P, Koschorreck J, Krehenwinkel H, Mora D, Sinclair JS, Zimmermann J, Leese F (2026): eDNA metabarcoding provides scalable and continuous biodiversity monitoring across the tree of life. Ecological Indicators 190, 115316. https://doi.org/10.1016/j.ecolind.2026.115316

Wissenschaftliche Ansprechpartner:
Prof. Dr. Florian Leese, Aquatische Ökosystemforschung
florian.leese@uni-due.de

Quelle: Universität Duisburg-Essen

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