Basiswissen

Bei nährstoffreichen Gewässern können sich Algen (z. B. Euglena) oder auch Cyanobakterien oft in kurzer Zeit schlagartig vermehren und weite Oberflächenbereiche abdecken.

Bildbeschreibung und Urheberrecht — Das Festland oben ist England, das Festland rechts die bretonische Küste von Frankreich. Der hellblaue Bereich im atlantischen Ozean ist durch eine Algenblüte hervorgerufen. Die Algen benötigten nur einige wenige Tage, um diese große Fläche zu bedecken. © Jacques Descloitres ☛

Das Phänomen der Algenblüte

Bei einem plötzlichen guten Angebot von Nährstoffen vermehren sich die Algen an der Oberfläche von Gewässern innerhalb weniger Tage massiv, oft folgt das Wachstum einem zunächst exponentiellen Verlauf^[1]. Die Oberfläche erscheint dann oft grün, rot oder seltenter auch blau. Die Algenteppiche sind auf Satellitenaufnahmen oft sehr gut zu erkennen. Die Algen halten Sonnenlicht von tieferen Wasserregionen fern, erzeugen zum Teil giftige Substanzen und verzeheren nach ihrem Absterben Sauerstoff aus tieferen Wasserschichten. Dadurch kann es zu einem beträchtlichen Absterben anderer Lebensformen kommen.

Algenblüten als exponentielles Wachstum

Unter günstigen Bedingungen kann die Anzahl der Zellen f(t) von Algen exponentiell mit der Zeit t wachsen. Man kennt Arten von mehrzelligen Algen bei denen sich die Anzahl von Zellen täglich verdoppeln kann.^[3] Der tägliche Wachstumsfaktor b wäre also 2. Sogar Algen mit einem täglichen Wachstumsfaktor von b gleich 4 wurden unter Laborbedingungen beobachtet. Und solange der Wachstumsfaktor konstant bleibt, ist das Wachstum mathematisch gesprochen auch exponentiell. Von einem anfänglichen Wert von a ausgehend würde die Anzahl der Zellen fast explosionsartig ansteigen.

Wie gut passt f(t)=a·bᵗ ?

Kann man aus dem exponentiellen Wachstum unter günstigen Laborbedingungen darauf schließen, dass die Bakterien auch in Meeren und Ozeanen über längere Zeiten hinweg exponentiell mehr Fläche bedecken? Nicht unbedingt, denn im Meer kommt als bremsender Einfluss unter anderem die Selbstbeschattung hinzu. Algen weiter oben blockieren das Sonnenlicht für die Algen weiter darunter.^[3] Das heißt, die Zellen im Inneren eines Algenteppichs können ab einer maximalen Bedeckung nicht mehr weiter erfolgreich zum Wachstum der Biomasse beitragen. Beitragen können theoretisch nur die Algen am Rand des Teppichs. Und das genügt dann nicht mehr für ein exponentielles Wachstum des gesamten Algenteppichs.

Fußnoten

[1] Wang, C., Wang, Z., Wang, P. et al. Multiple Effects of Environmental Factors on Algal Growth and Nutrient Thresholds for Harmful Algal Blooms: Application of Response Surface Methodology. Environ Model Assess 21, 247–259 (2016). https://doi.org/10.1007/s10666-015-9481-3

[2] Victor Klemas "Remote Sensing of Algal Blooms: An Overview with Case Studies," Journal of Coastal Research 28(1A), 34-43, (1 January 2012). https://doi.org/10.2112/JCOASTRES-D-11-00051.1

[3] "Ulva with a simple multicellular body perform ‘diffuse growth’ in which cell divisions can occur more or less throughout the tissues of the organism. The somatic cells divide synchronously in standardized conditions once a day. Therefore, the Ulva thalli are capable of exponential growth, displaying extremely high growth rates. In fact, a daily rate of over fourfold in U. meridionalis in the culture experiment has been reported as the highest growth rate ever reported for multicellular autotrophic plants." Weiter heißt es, dass Temperaturen von 20 bis 30 °C ideal für ein Wachstum sind. Dass man auf Meeresoberflächen dennoch kein exponentielles Wachstum findet, hänge unter anderem mit der Selbstbeschattung der Algen ab: "the rapid biomass increase is suppressed mainly by light limitation caused by self-shading as density increases". In: Hiraoka M. Massive Ulva Green Tides Caused by Inhibition of Biomass Allocation to Sporulation. Plants (Basel). 2021 Nov 17;10(11):2482. doi: 10.3390/plants10112482. PMID: 34834845; PMCID: PMC8622161.