Ein grundlegendes Verständnis der Ozeane ist die wichtigste Voraussetzung zum Schutz der Meeresumwelt sowie zur Entwicklung nachhaltiger Nutzungskonzepte mariner Ressourcen. Trotz einer steigenden Nutzungsintensität der Meere sind wesentliche Aspekte der zu Grunde liegenden Ökosystemprozesse oft unbekannt oder nur unzureichend verstanden. Ein leistungsfähiges Monitoring ist daher nötig, um die Bewahrung und verantwortungsvolle Nutzung der Ozeane zu gewährleisten und die Auswirkungen menschlichen Handelns auf marine Systeme quantifizieren zu können. Insbesondere zur Vorhersage dynamischer Prozesse über große Gebiete und Volumen werden Daten benötigt, die möglichst flächendeckend und mit hoher zeitlicher Frequenz über lange Zeiträume erhoben werden. Nur so können auf verschiedenen räumlichen Skalen Auswirkungen menschlichen Handelns z.B. auf Meeresversauerung, vermehrtes Algenaufkommen durch Eutrophierung oder auch auf die Dynamik von Küstenstrukturen abgeschätzt werden. „Ocean Lense“ umreißt die Vision – gleich einem Vergrößerungsglas – den ökologischen Zustand des Meeres auf einen Blick zu erfassen.
Zu diesem Thema gibt es am Standort Rostock entsprechende Vorarbeiten. Federführend ist hier die Arbeitsgruppe Umweltmikrobiologie am Leibniz-Institut für Ostseeforschung (IOW). Das Institut verfügt über voll ausgestattete molekulare und biologische Labors bis zur Sicherheitsstufe 2. Eine umfassende Bioinformatik-Datenbank, bestehend aus Amplikon- und GENOMICS-Daten aus Ostseeproben bildet die Grundlage für eine zukünftige Erfassung und Bewertung von Umweltzuständen in marinen Ökosystemen. Der Schwerpunkt liegt auf der Rolle von Mikroorganismen in anthropogen beeinflussten marinen Systemen und ihre Einführung in explizit gesellschaftsrelevante Forschung. Dabei werden zunehmend mikrobielle Analysen semi-autonom auf Offshore-Stationen durchgeführt. In den letzten Jahren wurde dies auf höhere Organismen mithilfe der eDNA-Technologie ausgeweitet. Mit zwei ersten Anwendungsfällen (Nachweis von TNT im Sediment und Glyphosat im Wasser) für die Umsetzung einer kompletten Kette von der automatisierten Probennahme und Fixierung über die Isolierung, Sequenzierung und bioinformatischer Auswertung des eDNA-Materials unter Einsatz von KI-Methoden konnte in Kooperation mit dem Fraunhofer IGD und der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Rostock die Machbarkeit des Ansatzes nachgewiesen werden.
Prof. Dr.
Matthias Labrenz
Leibniz-Institut für Ostseeforschung Warnemünde (IOW), Biologische Meereskunde
Seestrasse 15
18119 Rostock
+49 381 5197 378
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Zur Beantwortung wichtiger Fragestellungen zum Schutz der Meere, trotz Nutzung, sind erheblich effizientere Ansätze zur Erhebung und Zusammenführung von Umweltdaten notwendig. Neue Entwicklungstrends wie beispielsweise die Miniaturisierung von Messsystemen erlauben eine schnelle und multidimensionale in situ-Messung wichtiger Umweltparameter. In Verbindung mit mobilen autarken Trägerplattformen können diese Sensoren der nächsten Generation es ermöglichen, Umweltprozesse auch über große Raum- und Zeitskalen effizient zu verfolgen und so schützenswerte Naturräume bedarfsgerecht zu überwachen.
Um den wachsenden Ansprüchen der Anzahl von Sensoren und durchzuführenden Messungen zu einem erschwinglichen Preis gerecht zu werden, bieten Genom-basierte Analysen vielfältige Anwendungsbereiche mit Entwicklungspotenzial. Hier soll sich das Flagshipprojekt OTC-Genomics einfügen, in dessen Verlauf zunächst mit dem AFISsys autonome Probenahmen, später dann Detektoren für spezifische Störungen (z.B. Schadstoffe, invasive Arten, Mikroplastik) im Ökosystem entwickelt werden sollen basierend auf der Vision eines effizienten eDNA-basierten Messverfahrens.
Vor dem Hintergrund eines verstärkten Nutzungsdrangs der Meere durch den Menschen ergibt sich das Wachstumspotenzial dieses Marktes: Der erhöhte politische und gesellschaftliche Druck, diese Nutzung nachhaltig zu gestalten und deren Auswirkungen präzise zu überwachen, machen eine substantielle Verbesserung und Ausweitung des Monitorings notwendig. Das Wachstumspotenzial des Marktes ist schwer quantifizierbar, kann jedoch schon allein aus der Notwendigkeit neuer Sensortechnologien als Voraussetzung zur Umsetzung wichtiger politischer Ziele der EU, wie dem Erreichen eines guten Umweltzustandes (GES) gemäß der Meeresstrategie-Rahmenrichtlinie, abgeleitet werden. Auch die Umsetzung der UN-Ziele für nachhaltige Entwicklung wird die Nachfrage nach effizient einsetzbaren Sensorik-Standards weiter steigern.
Ziel von OTC-Genomics ist es, bestehende Umwelt-Überwachungsverfahren aquatischer Lebensräume durch neue innovative Analyseverfahren auf der Grundlage mikrobieller Nukleinsäuren (16S rRNA Gene) sowie frei vorliegender Umwelt-Nukleinsäuren (eDNA; 18S rRNA Gene) aus Wasserproben zu erweitern. Am Beispiel der westlichen Ostsee wird OTC-Genomics for a better insight die dafür notwendige Grundlagenforschung, Geräteentwicklung, Bioinformatik, sowie künstliche Intelligenz (KI) erarbeiten und als anwenderfreundliches Gesamtwerkzeug bereitstellen. Neue Probenahmeverfahren an autonomen Offshore-Stationen werden dabei eine weitaus höhere zeitliche und räumliche Auflösung bei der Untersuchung mikrobieller/makrobieller Gemeinschaften ermöglichen.
Langfristig wird angestrebt, neue methodische Standards und Normen zu entwickeln, die ein zukunftsweisendes, kostengünstiges und Parameter-offenes Umwelt-Überwachungsverfahren ermöglichen.
In den ersten drei Jahren Projektlaufzeit wird OTC-Genomics sich (1) auf die Entwicklung einer reproduzierbaren und semi-autonomen Bearbeitungspipeline sowie (2) auf die Untersuchung der Frage konzentrieren, ob die Analyse von mikrobiellen Daten mittels verschiedener Machine-Learning-Methoden aktuelle Schadstoffbelastungen in der aquatischen Umwelt ableiten bzw. identifizieren kann. (Matthias Labrenz IOW, Theodor Sperlea IOW)
Prof. Dr.
Matthias Labrenz
Projektleitung, Leibniz-Institut für Ostseeforschung Warnemünde (IOW), Biologische Meereskunde
+49 381 5197 378
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