Naturwissenschaften
Forschung mit geschlossenen
ökologischen Systemen
Ein künstliches Ökosystem ‘in Miniatur’ ist ein ideales Experimentierwerkzeug. Biologen der RUB ist es gelungen, das sensible Wechselspiel zwischen Pflanzen, Tieren und Mikroorganismen ins Gleichgewicht zu bringen und es länger als ein Jahr stabil zu halten. Mit C.E.B.A.S. - dem geschlossenen aquatischen Lebenserhaltungssystem - können die Forscher nun vielfältige Projekte in Angriff nehmen: vom Gewässerschutz bis zur Nahrungsproduktion für Langzeitaufenthalte in einer Raumstation.
Prof. Dr. Volker Blüm
Dr. Michale Andriske
Dr. Frank Paris
Dr. Dirk Voeste
Vergleichende Endokrinologie
Fakultät für Biologie der RUB
Die Forschung mit geschlossenen ökologischen Systemen („Clo-sed Ecological Systems“, CES) an der Ruhr-Universität Bochum entwickelte sich „auf dem Umweg“ aus der Weltraumforschung. Diese hat in Deutschland in der Zoologie eine „Tradition“ unter Verwendung von Wassertieren (Blutegel, Kaulquappen und Fische). Die hierfür verwendeten Experimentiersysteme (BIOSONDE, STATEX I und II) haben keine Lebenserhaltungssysteme (Atemgas- und Nahrungsversorgung, Wasserwiederaufbereitung), die Experimente von mehr als zwei Wochen zulassen. So entstand 1985 der Gedanke, ein solches System zu entwickeln, das Langzeitexperimente mit mehreren aufeinanderfolgenden Generationen von Wassertieren in einer Raumstation erlaubt. Basierend auf einem zuvor festgelegten zoologischen wissenschaftlichen Programm wurde diese Aufgabe 1986 von der Arbeitsgruppe für vergleichende Endokrinologie übernommen. Es stellte sich schnell heraus, daß ein längerfristig sich selbst er-haltendes geschlossenes System - nur ein solches kann unter Weltraumbedingungen benutzt werden - mit physikalischen und chemischen Lebenserhaltungsverfahren nicht realisierbar ist. So führte die Entwicklung zwangsläufig zu einem vollbiologischen System, in dem Tiere, höhere Pflanzen und Mikroorganismen mit der Zufuhr von Lichtenergie stabile Wechselbeziehungen entwickeln.
C.E.B.A.S.: Ein künstliches öko-logisches System erhält sich selbst
Dieses System erhielt die Bezeichnung „Closed Equilibrated Biological Aquatic System“ (C.E.B.A.S.), wobei das Adjektiv „equilibrated“ andeutet, daß ein minimales Maß an Technik existiert, das die Einstellung und Aufrechterhaltung der biologischen Stabilität ermöglicht. So wurde aus dem disponierten zoologischen Experimentiersystem ein viel umfassenderes, das auch botanische und mikrobiologische Studien zuläßt. C.E.B.A.S. stellt ein aquatisches CES dar, das sowohl in der Bodenlaboratoriums- als auch in der Weltraumforschung unter zahlreichen Aspekten genutzt werden kann. Inzwischen liegen sehr weitreichende Forschungsprogramme vor, die neben dem Entwicklungskonzept des C.E.B.A.S. summarisch und stark vereinfacht in Abb. 1 dargestellt sind. Heute ist C.E.B.A.S. der Kern eines interdisziplinären biologischen Forschungsprogrammes, an dem vier deutsche und drei U. S.-amerikanische Universitäten sowie die Russische Akademie der Wissenschaften und das Moskauer Institut für medizinisch-biologische Probleme beteiligt sind. Eine Miniaturversion von C.E.B.A.S. wird gegenwärtig industriell in einer weltraumtauglichen Version gefertigt, mit der in einem sog. „Middeck-Locker“ vollautomatisiert in zwei Space-Shuttle-Missionen - im Dezember 1997 und im März 1998 - biologische Weltraumexperimente durchgeführt werden sollen.
Im Wechselverhältnis von Pflanzen, Tieren und Mikroorganismen kommt im System den Pflanzen eine besondere Rolle zu. Sie besitzen die einzigartige Fähigkeit, durch Photosynthese physikalische Energie (Lichtenergie) in chemisch gebundene Energie, z.B. Zucker, überführen zu können. Dabei entsteht lebenswichtiger Sauerstoff. Pflanzen sind daher die „Produzenten“ im Ökosystem. Sie liefern die Lebensgrundlage für alle anderen Bewohner des Systems. Diese benötigen den Sauerstoff zur Atmung und nehmen oft Pflanzen als Nahrung auf. Man nennt sie daher „Konsumenten“.
Bei der Veratmung des Sauerstoffes und dem Nahrungs-Stoffwechsel werden Kohlendioxid und nicht direkt nutzbare chemische Verbindungen, wie z.B. Ammoniumionen, ausgeschieden.
Was Bakterien „entgiften“ wird zur Nahrung für die Tiere
Während das Kohlendioxid als direkte Kohlenstoffquelle von den Pflanzen verwendet wird, müssen die sich teilweise in giftiges Ammoniak umsetzenden Ammoniumionen durch biochemische Prozesse in eine verwertbare Form gebracht werden. Dies wird von Bakterien vollbracht, die Ammoniumionen über Nitrit zu Nitrat oxidieren, das von den Pflanzen als Stickstoffquelle benötigt wird. Der im Pflanzengewebe gebundene Kohlenstoff und der Stickstoff können als Nahrung von Tieren wieder aufgenommen werden, um den Kreislauf zu schließen. Neben dem Stickstoffkreislauf gibt es noch weitere Energie- und Masseflüsse, die aber hier nicht weiter ausgeführt werden sollen.
Die Pflanzen stellen im CES die einzige Möglichkeit der Sauerstoffversorgung dar. Nur bei ausreichendem Sauerstoffangebot können andere Organismen, wie Tiere oder Bakterien, überleben. Um die Sauerstoffkonzentration im optimalen Bereich zu halten, wird die Belichtung der Pflanzen über eine An-/Aus-Regelung gewährleistet: Sinkt die Konzentration unter einen Minimalwert, werden Lampen angeschaltet und die Pflanzen produzieren Sauerstoff. Übersteigt sie einen Maximalwert, werden die Lampen wieder ausgeschaltet. Die Produktionsrate der Pflanzen hängt aber nicht nur von der Beleuchtungsqualität und -quantität, sondern auch von ihrem physiologischen Zustand ab. Die Pflanzenvitalität wird somit zum Garanten für die Stabilität, die Ausgewogenheit und die Langlebigkeit eines CES.
Ein aquatisches CES stellt zusätzliche Anforderungen an die Pflanzen. Da es geschlossen ist und keine Gasphase enthält, müssen die Wasserpflanzen untergetaucht leben können. Sie sollten in permanenter Strömung existieren können, ohne davongetragen zu werden und Ventile zu verstopfen. Beim Wegtreiben von der Beleuchtungsquelle würde die Sauerstoffproduktion sinken oder wäre zumindest nicht mehr regulierbar, was die Systemstabilität erheblich gefährden könnte.
Die Pflanzenart sollte neben den genannten Eigenschaften auch eine gute Nitrataufnahmekapazität besitzen, um das geschlossene System zu „entgiften“.
Die Pflanze als „Motor im Stoffkreislauf“
Die höhere Wasserpflanze Ceratophyllum demersum (Gemeines Hornkraut) hat alle diese Eigenschaften. Diese wurzellose, unter Wasser (submers) lebende Pflanze stammt aus den Tropen, hat sich aber fast über die ganze Welt verbreitet. Durch ihre Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Temperaturen und Nährstoffbedingungen ist sie eine anspruchslose, robuste und gut wachsende Pflanzenart. Sie orientiert ihr Wachstum wahrscheinlich ausschließlich nach der Lichteinfallsrichtung und nicht nach dem Schwerkraftvektor, wodurch sie sich besonders für Weltraumexperimente eignet.
Fisch und Wasserschnecke bilden die Tier-Komponenete im C.E.B.A.S. Der Schwertträger (Xiphophorus helleri) wurde aufgrund seiner besonderen Reproduktionsbiologie, seiner speziellen Eignung für embryologische Studien und weiterer spezieller Charakteristika als Versuchstier („Wirbeltiermodell“) für das C.E.B.A.S. ausgewählt.
Wenn Weibchen Spermien speichern, ist die Brut gesichert
Schwertträger stammen aus Mittelamerika. Geschlechtsreife Männchen und Weibchen weisen deutliche Unterscheidungsmerkmale auf. In der Pubertät bilden die männlichen Tiere das namensgebende Schwert aus, eine Verlängerung der Schwanzflosse. Außerdem wird die Afterflosse zu einem Begattungsorgan umgeformt.
Die Weibchen sind mit einer Körperlänge von ca. 10 cm etwas größer als die Männchen. Sie können in monatlichen Abständen zwischen 20 und 100 Jungfische gebären. Die Befruchtung der Eizellen und die Entwicklung der Embryonen findet dabei innerhalb des Eierstockes statt. Die Weibchen können langfristig Spermien speichern und damit auch nach vollständiger Isolation von Männchen noch monatelang regelmäßig Jungfische werfen.
Somit wäre auch bei Störungen des Fortpflanzungsverhaltens im CES nicht unbedingt ein Absinken der Geburtenrate zu befürchten. Eine kontinuierliche Fortpflanzung der Fische, die die natürliche Sterberate kompensiert, ist eines der wesentlichen Kriterien eines biologisch „stabilen“ CES, und der Schwertträger erscheint in dieser Hinsicht besonders geeignet. Außerdem ist diese Art ein Standardversuchstier der zoologischen Genetik und der Tumorforschung.
Das zweite „Großtier“ im C.E.B.A.S., die Wasserschnecke Biomphalaria glabrata, spielt eine wichtige Rolle als Konsument von totem organischen Material im System, wie abgestorbene Pflanzenteile, Fischkot sowie einzelne tote Jungfische, die auch unter optimalen Bedingungen zu erwarten sind.
Wasserschnecken als Abfallentsorger
Sie ist also ein sehr effizienter „biologischer Abfallbeseitiger“. Biomphalaria glabrata hat eine sehr schnelle Generationenfolge und ist damit ein ideales Versuchstier für embryologische Studien. Außerdem können an ihrem Schnekkenhaus Untersuchungen zum Mechanismus der Einlagerung von Mineralstoffen durchgeführt werden, der unter Weltraumbedingungen gestört ist. Da die Mineralstoffeinlagerung bei Wirbeltieren von grundsätzlich anderer Natur ist, bietet sich somit ein zweites Modell für Biomineralisationsstudien. Daher wurde B. glabrata als zweites Standardversuchstier („Wirbellosenmodell“) für C.E.B.A.S. ausgewählt.
Für die Funktion eines aquatischen CES sind die Mikroorganismen, Protozoen und Bakterien von enormer Bedeutung. Neben der oben bereits beschriebenen essentiellen Funktion ammoniumoxidierender Bakterien wirken sie auch als Destruenten, d. h. sie sind bei Verwesungsprozessen entscheidend am Abbau toter organischer Substanz beteiligt. Sie bilden einen „Biofilm“ im CES, der den Schnecken und Jungfischen als Nahrung dienen kann.
Um ein geschlossenes aquatisches CES über einen längeren Zeitraum funktionell zu erhalten, müssen die wechselseitigen Abhängigkeiten der darin lebendenen Organismen berücksichtigt werden. Nach den bisherigen Erläuterungen zu den Pflanzen, Tieren und Mikroorganismen und ihrer Rolle im aquatischen CES müssen zur Etablierung eines solchen Systems also vorwiegend die Produktion und der Verbrauch von Sauerstoff geregelt sowie die Ansammlung von stickstoffhaltigen Ionen begrenzt werden.
Schon zu Beginn der Gerätentwicklung wurde klar, daß mit zunehmender Experimentdauer die oben erwähnten Punkte unterschiedlich berücksichtigt werden müssen.
C.E.B.A.S. - MINI-MODUL für Kurzzeitexperimente
In Langzeitexperimenten werden die Stickstoffeliminierung und die Biomassenzunahme zu limitierenden Faktoren. Deshalb wurde parallel zu dem großen, „originalen“ C.E.B.A.S., das vor allem für den Langzeiteinsatz konzipiert wurde, mit dem „MINI-MODUL“ eine kleinere, speziell für Kurzzeitexperimente ausgelegte Variante entwickelt. Diese diente der Optimierung der Sauerstoffregulation und der Untersuchung der mit Wachstumseffekten verbundenen Fragestellungen. In Langzeitexperimenten im Original-C.E.B.A.S. wurden verschiedene Konzepte der Stickstoffeliminierung entwickelt.
Die biologische Wasserwiederaufbereitung des C.E.B.A.S. wird von einem Bakterienfilter und von den Wasserpflanzen wahrgenommen. So konnten Zeiträume von mehr als drei Monaten überbrückt werden. Die Verwendung von kommerziellen Filterkartuschen in Kombination mit den biologischen Komponenten führte zu einer weiteren Erhöhung der Systemstabilität. Die dritte Generation, bei der das Zusammenwirken botanischer und mikrobiologischer Komponenten weiter optimiert wurde, erlaubt nun Experimente von mehr als 12 Monaten Dauer.
Das große C.E.B.A.S. (Abb. 4, Konstruktionsschema) faßt insgesamt 140 l. Es besteht aus einem Tiertank (100 l), in dem durch eine Lampe ein 16 Stunden-Tag simuliert wird. Versteckmöglichkeiten bieten den darin lebenden Fischen die Gelegenheit, sich sozialem Stress und Kannibalismus zu entziehen. Eine kleine Öffnung erlaubt die Fütterung der Tiere, ohne daß das System seinen „geschlossenen“ Status verliert.
Wenn das Licht angeht, gibt’s „frischen“ Sauerstoff
Zwei parallel angeordnete Tanks mit je 16 l bilden die mit Pflanzen gefüllten botanischen Komponenten, deren Beleuchtung unabhängig voneinander - je nach aktueller Sauerstoffkonzentration - automatisch ein- oder ausgeschaltet wird. Im Tiertank und in den botanischen Komponenten befinden sich außerdem Wasserschnecken.
Die mikrobiologische Komponente besteht aus vier Einheiten mit je 1,5 Litern Volumen, von denen drei als Bakterien- bzw. als mechanische Filter dienen, während die vierte die Kühleinheit aufnimmt. Zwischen den Komponenten wurden die Pumpe und Sensoreinheiten integriert, mit denen über eine Meßdatenerfassung kontinuierlich die wichtigsten Systemparameter wie Temperatur, pH-Wert, Sauerstoffkonzentration und Redoxpotential registriert werden. Bei Experimentbeginn wird das C.E.B.A.S. mit definierten Mengen von Pflanzen, Fischen, Schnecken und Mikroorganismen „eingefahren“ und dann geschlossen. So wird es möglich, die Sauerstoffkonzentration mehr als ein Jahr in einem Bereich zwischen 4 und 6,5 mg/l zu halten und gleichzeitig die durch Futter in das System eingebrachten Stickstoffionen in Biomasse umzuwandeln.
Das C.E.B.A.S. MINI-MODUL besteht aus der gleichen Anordnung von Tier-, Pflanzen- und Filterkompartimenten, wobei hier die Volumenverteilung 50% : 30% : 20% beträgt. Dies resultiert aus experimentellen Vorgaben, da dieses System für Kurzzeitversuche (etwa drei Wochen) im Weltraum mit maximalem Tierbesatz optimiert wurde. Aufgrund der eng gesetzten Grenzen bezüglich Masse und Energieverbrauch wurden die einzelnen Bestandteile in einem einzigen Block zusammengefaßt (Abb.7), die Sensoren wurden durch miniaturisierte Spezialanfertigungen und die Lampe des Tiertanks durch eine Leuchtdiodenplatte ersetzt. Das Volumen des C.E.B.A.S. MINI-MODULS beträgt 8,6 Liter und der monolithische Tank ist durch Trennwände, die gleichzeitig für gerichtete Wasserführung sorgen, in vier Kompartimente unterteilt (Abb.6). Davon dienen zwei für die Haltung von neugeborenen und erwachsenen Schwertträgern, ein weiteres enthält die Pflanzen und das letzte nimmt das bakteriologisch-mechanische Filter auf.
In allen Kompartienten sind Wasserschnecken eingebracht. Im geschlossenen Zustand hat das System keine Gasphase mehr. Die gegenwärtige Version benötigt noch die Zuführung von Futter. Das C.E.B.A.S. MINI-MODUL (Abb. 7) ist die Version, mit der die Weltraumexperimente durchgeführt werden sollen .
Die C.E.B.A.S.-Forschung hat sowohl im Grundlagen- als auch im Anwendungsbereich zwei Zielrichtungen, die gleichwertig verfolgt werden. Ausgangspunkt ist das C.E.B.A.S. als aquatisches CES, das die Möglichkeit bietet, im Bodenlaboratorium ökologische Grundlagenforschung zu betreiben. Hierzu ist aber Voraussetzung, möglichst viele morphologische und physiologische Parameter der darin lebenden Organismen qualitativ und quantitativ zu erfassen. Dies geschah im vergangenen Jahrzehnt intensiv in den Teildisziplinen Biomineralisation, Embryologie, Endokrinologie, Immunologie, Mikrobiologie, Neurobiologie, Pflanzenmorphologie, Pflanzenphysiologie, Reproduktionsbiologie, Verhaltensforschung und Vestibularisforschung (Gleichgewichtsforschung).
Forschung im Detail - C.E.B.A.S. fügt’s zusammen
Alle diese Untersuchungen hatten zwar spezielle wissenschaftliche Fragestellungen als Hintergrund, doch die Ergebnisse bilden auch eine Datenbank, die es nun erlaubt - in Kombination mit vielen im Laufe der C.E.B.A.S.-Testläufe erfaßten biotischen und abiotischen Parametern - eine Analyse der Interaktionen und Abhängigkeiten der Einzelkomponenten in einer Weise durchzuführen, die bei einem natürlichen aquatischen Ökosystem nicht möglich wäre. Das geschieht mit Hilfe umfangreicher Computersimulationsprogramme, die im Institut für Biophysik in Krasnoyarsk permanent weiterentwickelt werden.
Dies ist der gegenwärtig faszinierendste Forschungsaspekt des C.E.B.A.S.-Programmes. C.E.B.A.S. kann aber auch aus einem anderen Blickwinkel betrachtet werden.
Bei Verwendung von pflanzenfressenden Fischen kann leicht eine Nahrungskette geschlossen werden, so daß ein biologisches Kreislaufsystem entsteht, das in offener Form und mit größeren Volumina zur Produktion menschlicher Nahrung genutzt werden kann.
Entsprechende Systeme mit pflanzenfressenden Graskarpfen und Buntbarschen der Gattung Tilapia sind bereits im Laboratoriumsmaßstab entwickelt.
Wasserlinsen und Graskarpfen: ein gedeckter Tisch im Weltall
Hierbei existieren auch Konzepte, Wasserpflanzenarten zu verwenden, die der menschlichen Ernährung dienen können, wie z. B. die Wasserlinsen Wolffia arrhiza oder W. globosa, die in Südostasien bereits in Teichen zu diesem Zweck produziert werden. Bei der Massenversuchstierzucht für das C.E.B.A.S. Forschungsprogramm wurden kombinierte Bakterien-Wasserpflanzen-Hochleistungsfiltersysteme für Fisch-Intensivhaltungssysteme entwickelt (BIOCURE-Filter), die nur einen Bruchteil des Volumens konventioneller Aquakulturanlagenfilter benötigen. Außerdem wurde eine Energieversorgungsanlage für C.E.B.A.S. aufgebaut, die ausschließlich Sonnenlicht nutzt. Sie kann leicht an Großanlagen adaptiert werden. Hier eröffnen sich also auch für die Zukunft interessante Anwendungsgebiete, die vor allem für tropische Klimazonen prädestiniert sind.
Die zweite Zielrichtung, die Weltraumforschung mit C.E.B.A.S., verfolgt zwar solide und streng begutachtete Fragestellungen der biologischen Grundlagenforschung, ist aber derzeit wegen der kurzen Zeitdauer der Space-Shuttle-Missionen eher ein Systemtest, der zeigt, wie sich das CES unter Weltraumbedingungen verhält.
Hier steht ein wichtiger Anwendungsaspekt im Vordergrund: sog. „bioregenerative Lebenserhaltungssysteme“.
Ohne Regeneration von Atemgasen und Wasser und ohne pflanzliche und tierische Nahrungsproduktion sind längere Aufenthalte von Menschen z. B. in einer lunaren oder planetaren Basis undenkbar. Besonders die Produktion tierischen Proteins ist unter reduzierter Schwerkraft nur in geschlossenen Aquakultursystemen praktikabel. C.E.B.A.S. ist hierfür ein ideales Modellsystem, das -in Kombination mit den bereits vorliegenden terrestrischen Anwendungskonzepten- bereits zu konkreten Dispositionen für ein Aquakulturmodul zur Integration in ein bioregeneratives Lebenserhaltungssystem geführt hat. Zu dessen Verwirklichung werden aber noch umfangreiche Langzeitexperimente, z. B. in einer Raumstation, notwendig sein.
Der C.E.B.A.S.- Forschungsschwerpunkt wird großzügig gefördert durch das Bundesmisterium für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie (BMBF) über die Deutsche Agentur für Raumfahrtangelegenheiten (DARA) und durch das Ministerium für Wissenschaft und Forschung des Landes Nordrhein-Westfalen.
Literatur:
[1] Vernadsky, V. I.: The Biosphere. An abridged version based on the French edition of 1929. Synergetic Press, Oracle (1986)
[2] André, M.: States of research of crop plant cultivation in artificial systems. Contributions of the laboratory of ecophysiology. In: Workshop on artificial ecosystems, Workshop Proc., Maquette Pixeline, Toulouse, 67-74, (1991)
[3] Gitelson, I.J., I.A. Trskov, B.G. Kovrov,G.M. Lisovski, Yu.N. Okladnikov, F.Ya. Sid´ko, I.N. Trubachev, M.P. Shilenko, S.S. .Alekseev, I.M. Pan´kova and L.S. Tirranen: Long-term experiments on man´s stay in biological life support system, Adv. Space Res., 9, 65-71 (1989)