Hydrobiologe und Wildnispädagoge

Einleitung  


„Manchmal sind es die kleinen Dinge im Leben …“ – diesen Satzanfang kennen wohl die meisten von uns. Ich hörte ihn oft in meiner Kindheit und er begleitet mich bis heute. Ja, die kleinen Dinge haben manchmal eine riesige Wirkung. Denn ehrlich gesagt erwächst jedes Große aus etwas ganz Kleinem – aus einem Gedanken zum Beispiel oder aus einer Beobachtung am Bachrand. 


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Abbildung 1: Köcherfliegen bei ihrer Nahrungsaufnahme auf einem Stein im Rauschenbach (Erzgebirge)


Die kleinen Dinge im Bach sind die Basis des gesamten Fließgewässer-Ökosystems (- Fließgewässer sind dynamische Ökosysteme, die durch ständige Bewegung des Wassers und verschiedene Strömungsgeschwindigkeiten gekennzeichnet sind.). Genauer gesagt sind es die „Biofilme“ auf den Oberflächen im Bach, die maßgeblich die Selbstreinigungskraft des Wassers, die Nahrungsverfügbarkeit für Wasserinsekten und letztlich auch die Lebensgrundlage der Fische – wie etwa der Bachforelle (Salmo trutta fario) – bestimmen. Wer also wissen möchte, wie es einem Bach wirklich geht, sollte nicht nur ins Wasser schauen, sondern bis auf den Grund.


Der Held im Fließgewässer – der Biofilm


Der Begriff „Biofilm“ ist im Volksmund wahrscheinlich bekannt – allerdings meist in wenig schmeichelhafter Erinnerung: als lästiger, glitschiger Belag im Küchenabfluss oder auf vergessenen Wasserflaschen. Doch dieses Image wird der Sache bei weitem nicht gerecht. In der Biologie bezeichnet ein Biofilm eine komplexe Lebensgemeinschaft aus Pilzen, Bakterien, Algen und Einzellern, eingebettet in eine selbst produzierte extrazelluläre Matrix – eine Art schützendes Gerüst aus Schleimstoffen, das die Gemeinschaft zusammenhält, ernährt und vor Umwelteinflüssen abschirmt.


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Abbildung 2: Schematische Darstellung eines Biofilms mit selbst produzierter extrazellulärer Matrix (EPS, Extracellular Polymeric Substances). Die Matrix besteht hauptsächlich aus Polysacchariden, Proteinen, extrazellulärer DNA (eDNA) und Lipiden. Sie umhüllt die Mikroorganismen, sorgt für mechanische Stabilität, ermöglicht Zellkommunikation und schützt vor Umweltstress sowie antimikrobiellen Wirkstoffen. KI-generiert.


Ich möchte diese Gelegenheit gern nutzen, um den Biofilmen wieder ein besseres Image zu verpassen. Eins, dass sie sich längst verdient haben.


Diese hauchdünnen Schichten – im Bach bis zu 3 mm stark – sind wahre Helden ihrer Zeit. Warum? Weil sie gleich mehrere lebenswichtige Aufgaben auf einmal erfüllen: Sie dienen als Nahrungsquelle für Wasserinsekten, Schnecken und Fische, sie reinigen unser kostbares Wasser. Besonders in kleineren Fließgewässern kann der Großteil des gesamten mikrobiellen Stoffumsatzes (- der mikrobielle Stoffumsatz ist ein zentraler Aspekt der Mikrobiologie, der die biochemischen Prozesse in Mikroorganismen untersucht.) auf diese Biofilme zurückgeführt werden (Boyle & Scott 1984; Lock 1993; Pauer & Auer 2000). Sie sind, mit anderen Worten, die unsichtbare Kläranlage des Baches.


Doch nicht jeder Biofilm ist gleich – und das ist gut so. Wer einmal aufmerksam in einen naturnahen Bach schaut, bemerkt schnell: Nichts gleicht dem anderen. Es liegen dutzende abgerundete Steine, tausende Kiesel und hunderte kleine Äste und Zweige im Wasser. Kein Stein liegt wie der andere, kein Ast wie der nächste. Für den ordnungsliebenden Menschen mag das wie pures Chaos wirken – und tatsächlich höre ich von Anwohnern nicht selten den Kommentar, wie „unordentlich“ der Bach im Dorf doch wieder aussehe. Doch genau diese scheinbare Unordnung ist der Schlüssel. Denn sie schafft eine ungeheure Vielfalt an Oberflächen, Strömungsbedingungen und Lichtverhältnissen – und damit die Grundlage für ebenso vielfältige Biofilme.


Die Mächtigkeit, also die Dicke eines Biofilms, sowie seine Artenzusammensetzung hängen stark vom jeweiligen Untergrund und der Beschaffenheit des Wassers ab. Ein Biofilm auf einem glatten Kalkstein sieht grundlegend anders aus als jener auf einem rau verwitterten Sandstein – und beide unterscheiden sich wiederum erheblich von Biofilmen auf Totholzoberflächen. Diese Diversität (- der Begriff Diversität beschreibt die Vielfalt und Heterogenität von Individuen in verschiedenen Bereichen) ist kein Zufall, sondern Ausdruck einer Jahrmillionen langen Anpassung an die jeweiligen Lebensbedingungen.


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Abbildung 3: Natürlicher Bachverlauf des Rauschenbachs (Erzgebirge) ohne menschliche Eingriffe.


Totholz im Bach schafft Leben


Totholz – ein Begriff, der häufig zu Missverständnissen führt, ja mancherorts sogar Unbehagen auslöst. Denn Totholz klingt nach Verfall, nach Gefahr, nach etwas, das umgehend entfernt werden muss. In Wirklichkeit aber ist es ein Lebensmagnet. Zahlreiche Organismen – von Käferlarven über Köcherfliegen bis hin zu Kleinkrebsen – nutzen seine Oberflächen als Nahrungsquelle, Versteck oder Paarungs- bzw. Laichplatz.


Studien zeigen eindrücklich, dass die Reinigungskapazität eines Gewässers steigt, wenn Totholz vorhanden ist (Sabater et al. 2002; Baldwin et al. 2014). Der Grund: Holz bietet eine große, raue und chemisch aktive Oberfläche, auf der sich besonders artenreiche und stoffwechselaktive Biofilmgemeinschaften ansiedeln. Darüber beeinflusst Totholz die Fließgeschwindigkeit positiv, fördert die Durchspülung der Gewässersohle und steigert so die Sauerstoffzufuhr in das Lückensystem des Kieses – den sogenannten hyporheischen Interstitial, der selbst eine weitere wichtige Reinigungszone darstellt. Für Wasserliebhaber bedeutet das kurz gesagt: Je mehr Totholz in einem Bach oder Fluss liegt, desto sauberer ist das Wasser. Erstaunlich, nicht wahr? Was nach Unordnung aussieht, ist in Wirklichkeit ein hocheffizientes Reinigungssystem.


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Abbildung 4: Totholzansammlung im Rauschenbach (Erzgebirge) als essenzieller Bestandteil eines intakten Fließgewässerökosystems.


Bewohner im Biofilm


Doch wer genau ist für diese Reinigung zuständig? Wer sind die unsichtbaren Helfer im Bach? Um dieser Frage nachzugehen, möchte ich Dich auf eine gedankliche Reise in einen winzigen Kubikmillimeter Biofilm einladen – gerade einmal so groß wie ein Stecknadelkopf.


Was sich dort abspielt, ist eine faszinierende Welt, die fast jedem Menschen verborgen bleibt. Unter dem Mikroskop leuchten grüne Punkte auf – einzelne Bakterienzellen (eingefärbt), jede für sich ein eigenständiges Lebewesen mit eigenem Stoffwechsel. Große, langkettige Fadenalgen dominieren die Struktur des Biofilms und bilden sein tragendes Gerüst. Dazwischen tummeln sich kleine Kieselalgen, die im Fluoreszenzlicht rot erscheinen und durch ihre Fotosynthese Sauerstoff produzieren – den Treibstoff aller anderen. In diesem winzigen Kubikmillimeter lassen sich bereits rund 12.000 Lebewesen nachweisen. Zwölftausend. Und genau diese sind es, die gemeinsam unser Wasser reinigen.


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Abbildung 5: Mikroskopie eines 1 mm³ großen Biofilms. In rot dargestellt: Kieselalgen; grün dargestellt: Bakterien eingefärbt


Biofilme weisen in vergangenen Untersuchungen hohe Konzentrationen bestimmter Schadstoffe auf, was ihre starke Affinität und Wechselwirkung mit diesen Substanzen eindrücklich belegt (Wang et al., 2019; Writer et al., 2011). Sie wirken dabei wie ein molekulares Netz: Schadstoffe werden gebunden, eingeschlossen und anschließend wenn möglich schrittweise abgebaut. Dies ist gerade bei der Reduktion von Nähr- und Schadstoffen in Bächen von zentraler Bedeutung.


Flussbiofilme beherbergen eine bemerkenswerte Vielfalt an Mikroorganismen, die gemeinsam selbst neuartige, bislang kaum erforschte Schadstoffe, wie z. B. verschiedene Arzneimittelrückstände – im Wasser abbauen können.


Damit leisten sie einen wesentlichen Beitrag zur sogenannten In-situ-Bioremediation: der natürlichen Selbstreinigung direkt am Ort der Belastung, ganz ohne aufwendige Aushubmaßnahmen oder technische Eingriffe (Lu et al., 2014; Nadeau et al., 2021; Sharma et al., 2020; Singh et al., 2020). Was die Natur hier still und unsichtbar vollbringt, ist aus ökologischer wie wirtschaftlicher Sicht kaum zu übertreffen: nachhaltig, standortschonend und kosteneffizient.


Im Gegensatz zu frei im Wasser treibenden Mikroorganismen bilden Biofilme hochorganisierte Lebensgemeinschaften – und genau das macht den entscheidenden Unterschied. Ihre strukturierte Bauweise verleiht ihnen eine deutlich höhere Widerstandskraft gegenüber Umweltstress, eine größere Anpassungsfähigkeit an wechselnde Bedingungen sowie eine breitere Funktionsvielfalt beim Schadstoffabbau (Mishra et al., 2022). Man könnte sagen: Der Biofilm ist mehr als die Summe seiner Teile.


Zusammenfassung


Ohne Biofilme wäre die Selbstreinigung von Bächen und Flüssen erheblich beeinträchtigt – das ist keine Übertreibung, sondern wissenschaftlicher Konsens. Umgekehrt lässt sich daraus ableiten, dass die Förderung gesunder Biofilme die Reinigungsleistung eines Gewässers aktiv steigern kann – insbesondere dort, wo Bäche naturnah und wenig vom Menschen überformt sind.


Natürlich sind wir Menschen nicht aus der Landschaft wegzudenken. Doch ein Bach braucht keine Mauern, Rasengitterplatten oder betonierte Ufer. Vielmehr möchte er sich frei durch einen Auwald schlängeln, Totholz ansammeln, mäandrieren und „atmen“. Genau hier liegt unsere gesellschaftliche Entscheidung: Lassen wir unsere Bäche weiter verbauen und begradigen – oder geben wir ihnen wieder den Raum, den sie brauchen? Diese Entscheidung bestimmt letztlich auch, wie sauber unser Wasser bleibt und wieder wird. Denn sauberes Wasser findet sich vor allem dort, wo Bäche noch wirklich sie selbst sein dürfen – lebendig, vielfältig und ein bisschen „unordentlich“.

Auf einen Blick



  • Biofilme sind hauchdünne Lebensgemeinschaften aus Mikroorganismen und bilden die Grundlage gesunder Fließgewässer.

  • Sie reinigen das Wasser auf natürliche Weise, bauen Schadstoffe ab und sichern den Stoffkreislauf im Bach.

  • Als wichtigste Nahrungsquelle vieler Wasserorganismen bilden Biofilme die Basis des gesamten Ökosystems.

  • Totholz und naturnahe Gewässer fördern artenreiche Biofilme und steigern die Selbstreinigungskraft eines Baches.

  • Bereits ein winziger Kubikmillimeter Biofilm beherbergt rund 12.000 Mikroorganismen, die gemeinsam wichtige ökologische Aufgaben erfüllen.

  • Naturnahe, strukturreiche Bäche mit vielfältigen Lebensräumen sind entscheidend für sauberes Wasser und eine intakte Artenvielfalt.

Quellenangaben



  1. Boyle JD., Scott JA. (1984): The role of benthic films in the oxygen balance in an east Devon River. Water Research 18: S: 1089-1099.

  2. Lock, MA. (1993): Attached microbial communities in rivers. In: Ford TE (ed) Aquatic Microbiology: an ecological approach. Blackwell Scientific Publications, Boston, S: 113-138.

  3. Pauer, JJ., Auer, MT. (2000): Nitrification in the water column and sediment of a hypereutrophic lake and adjoining river system. Water Research 34: S: 1247-1254.

  4. Sabater S., Guasch H., Roman A. & Isabel Muñoz I., (2002): The effect of biological factors on the efficiency of river biofilms in improving water quality, Departament d’Ecologia, Facultat de Biologia, Avgda. Diagonal 645, E-08028 Barcelona, Spain, Hydrobiologia 469: S: 149–156.

  5. Baldwin D.S., Whitworth K.L., Hockley C.L. (2013): Uptake of dissolved organic carbon by biofilms provides insights into the potential impact of loss of large woody debris on the functioning of lowland rivers, Available from https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/fwb.12296

  6. Wang L, Hua X, Zhang L, Song N, Dong D, Guo Z (2019): Influence of organic carbon fractions of freshwater biofilms on the sorption for phenanthrene and ofloxacin: The important role of aliphatic carbons. Sci Total Environ 685:818–826. https://doi.org/10.1016/ j.scitotenv .2019.06.203

  7. Wang L, Li Y, Zhang P, Zhang S, Li P, Wang P, Wang C (2019): Sorption removal of phthalate esters and bisphenols to biofilms from urban river: From macroscopic to microcosmic investigation. Water Res 150:261–270. https://doi.org/10.1016/j.watres.2018.11.053

  8. Wang Luyun, Xiao H, He N, Sun D, Duan S (2019): Biosorption and biodegradation of the environmental hormone nonylphenol by four marine microalgae. Sci Rep 1–11. https://doi.org/10.1038/ s41598-019-41808-8

  9. Writer JH, Ryan JN, Barber LB (2011) Role of biofilms in sorptive removal of steroidal hormones and 4-nonylphenol compounds from streams. Environ Sci Technol 45:7275–7283. https://doi. org/10.1021/es2008038

  10. Lu H, Yang L, Shabbir S, Wu Y (2014): The adsorption process during inorganic phosphorus removal by cultured periphyton. Environ Sci Pollut Res 21:8782–8791. https://doi.org/10.1007/s11356- 014-2813-z

  11. Nadeau LJ, Barlow DE, Hung CS, Biffinger JC, Crouch AL, Hollomon JM, Ecker CD, Russell JN, Crookes-Goodson WJ (2021): Colonization and degradation of polyurethane coatings by Pseudomonas protegens biofilms is promoted by PueA and PueB hydrolases. Int Biodeterior Biodegrad 156:105121. https://doi. org/10.1016/j.ibiod.2020.105121

  12. Sharma A, Jamali H, Vaishnav A, Shekhar B, Kumar A (2020): Microbial biofilm: An advanced eco-friendly approach for bioremediation. New and Future Developments in Microbial Biotechnology and Bioengineering. Elsevier B.V. https://doi.org/10. 1016/B978-0-444-64279-0.00015-3

  13. Singh M, Pandey S, Kumar A, Pandey KD (2020): Microbial biofilms for the remediation of contaminated water. Microbe Mediated Remediation of Environmental Contaminants. INC. https://doi. org/10.1016/B978-0-12-821199-1.00021-3

  14. Mishra S, Huang Y, Li J, Wu X, Zhou Z, Lei Q, Bhatt P, Chen S (2022): Biofilm-mediated bioremediation is a powerful tool for the removal of environmental pollutants. Chemosphere 294:133609. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2022.133609

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