Muscheln auf die Probe stellen

Wissenschaft und Technologie

Der starke Wind machte die Sache kompliziert. Draußen auf der hinteren Terrasse von Penn's Lynch Labs beschäftigten sich die fünf Studenten von Byron Sherwoods Feldbiologiekurs mit Pipetten, Messzylindern, flüssigem Stickstoff, Wasserpumpen, Kabelbindern und Dutzenden kleiner Probenröhrchen – ganz zu schweigen von sechs Aquarien und einem Riesen Tank voller Muscheln. Kleine Windböen drohten, Geräte umzuwerfen, sorgfältig gewogene Filter wegzublasen oder Schmutz in die Tanks zu bringen. Aber schnelles Denken, flinke Reflexe und einige Anpassungen unterwegs sorgten dafür, dass ihre Experimente reibungslos liefen.

Ihr Ziel? Um die Fähigkeit von Muscheln zu bewerten, das Wasser zu reinigen, das am frühen Morgen frisch aus dem Schuylkill River in Philadelphia gesammelt wurde.

„Für mich waren einige der einflussreichsten Erfahrungen in meiner Ausbildung das praktische Lernen im Freien“, sagt Sherwood, Senior Fellow in der Biologieabteilung der Penn University. „Das war für mich die wichtigste Anforderung bei der Konzeption dieses Kurses. Wir können etwas Zeit im Labor verbringen, um Techniken zu erlernen, aber mein Ziel war es, so viel wie möglich außerhalb des Klassenzimmers zu sein.“

Sherwood erreichte dieses Ziel mit Feldstudien zur aquatischen mikrobiellen Ökologie, indem er die Studenten zu wöchentlichen Ausflügen zu verschiedenen Orten in der Stadt führte, um die städtischen Gewässer zu beobachten und Proben daraus zu entnehmen.

Sherwood, ein mikrobieller Ökologe, zog vor zwei Jahren mit seiner Familie, darunter auch seiner Frau Katie Barott, einer Assistenzprofessorin in der Biologieabteilung, in die Gegend von Philadelphia, nachdem er eine Postdoktorandenstelle an der University of Hawaii in Manoa abgeschlossen hatte. Während seine Forschung die Untersuchung des Beitrags von Meeresmikroben zu den Kohlendioxidemissionen umfasste, erkannte er, dass er in seiner neuen Umgebung seine Sichtweise neu definieren musste.

„Kurz nachdem wir hier ankamen, wurde mir klar, dass es keinen Ozean gibt“, sagt er ausdruckslos.

Es herrscht jedoch kein Mangel an Wasserstraßen, von den Flüssen Schuylkill und Delaware bis hin zu kleineren Nebenflüssen wie den Bächen Wissahickon und Cobbs.

Auf den Klassenausflügen richtete Sherwood seine Aufmerksamkeit und die seiner Schüler auf das Leben in diesen Gewässern, auf die Bakterien, die inmitten von Industriegiften, Abwässern und Mischwasserüberläufen, die bei heftigen Regenfällen die Flüsse überschwemmen und verschmutzen, ihr Auskommen finden.

„Mich interessiert, was sie essen, was sie nicht essen, wen sie töten oder von wem getötet werden und wie sich all diese winzigen Interaktionen auswirken“, sagt er. „Es ist Ökologie im kleinsten Maßstab.“

Für die Seniorin Izzy Viney aus Carlsbad, Kalifornien, die Zell- und Molekularbiologie studiert, war es ein Reiz, das Klassenzimmer zu verlassen und ins Feld zu gehen. „Als wir diese Ausflüge machten“, sagt sie, „hatten wir am Ende recht ausführliche Diskussionen über Ökologie und Mikrobiologie, einfach nur herumlaufen und in der Natur sein. Dr. Sherwood hat unsere Gespräche moderiert und wirklich versucht, uns zu erforschen.“ Denke genau nach."

Wenn sie nicht auf dem Fachgebiet waren, entwickelte jeder Student unter der Leitung von Sherwood einen Vorschlag nach dem Vorbild einer Bewerbung um ein Graduiertenforschungsstipendium der National Science Foundation.

Ein zeitgemäßes Wasserprojekt ermöglichte es der Klasse, ihre Forschung in die Praxis umzusetzen. Im Januar stellte das Commonwealth of Pennsylvania 7,9 Millionen US-Dollar für die Einrichtung einer Muschelbrutstätte im Bartram's Garden im Südwesten von Philadelphia bereit. Die Brutstätte, die 2023 eröffnet werden soll und von der gemeinnützigen Partnership for the Delaware Estuary entwickelt wird, könnte jedes Jahr eine halbe Million Süßwassermuscheln hervorbringen.

„Als ich einige der populären Berichterstattungen darüber las“, sagt Sherwood, „sah mir immer wieder die Zeile auf: ‚Muscheln werden das Wasser reinigen‘.“ Aber er wusste nicht, was das auf wissenschaftlicher Ebene bedeutete – insbesondere auf a auf mikrobieller Ebene und welche Beweise dafür vorlagen.

Nachdem er die Idee mit der leitenden Wissenschaftlerin der Partnerschaft, Danielle Kreeger, geklärt hatte, wies er die Klasse an, die Hypothese als Grundlage ihrer wissenschaftlichen Aktivitäten zu hinterfragen.

„Ich habe die Frage gestellt: ‚Stellen Sie sich vor, Sie sind der CEO des Philadelphia Water Department und man sagt Ihnen, dass jemand Muscheln in den Schuylkill River legen möchte, was möglicherweise die Kosten für die Trinkwasseraufbereitung für die Stadt senken könnte‘.“ " er sagt. „‚Was sind die zwei oder drei grundlegendsten Fragen, die Sie beantworten möchten, um festzustellen, ob dieses Projekt Ihre Investition wert ist?‘“

Die Studierenden formulierten ihre Hypothesen und entwarfen entsprechende Experimente. Sie stellten Fragen wie: Reduzieren Muscheln die Anzahl von Bakterien und menschlichen Krankheitserregern im Wasser und wenn ja, wie schnell, und bevorzugen sie die Partikelgröße, die sie filtern?

An einem windigen, sonnigen Freitag im April machten sie sich an die Arbeit.

Im Laufe des Nachmittags wurde deutlich, dass die Muscheln, eine Süßwasserart namens Alewife Floater, eine Wirkung zeigten: Das Wasser in den Versuchsbecken wirkte im Vergleich zu den anderen klarer, als ob es sich durch einen Brita-Filter gearbeitet hätte trübe Kontrolltanks. Doch die aufwendigeren Nachuntersuchungen, darunter DNA-Analysen, das Zählen von Bakterienkolonien und die Verwendung von Durchflusszytometrie zur Quantifizierung der Filterfähigkeit der Muscheln, werden mit Präzision aufdecken, wie sich die Muscheln in ihrer aquatischen Umgebung verändern und mit ihr interagieren.

Obwohl jeder Schüler für ein individuelles Projekt verantwortlich war, koordinierte die Klasse auch, um sicherzustellen, dass jeder das erreichen konnte, was er wollte.

„Es war eine wichtige Lektion in Sachen Teamarbeit“, sagt JaHyun Yang, Biologiestudentin aus Fairfax, Virginia.

Während er Katheterschläuche an eine Wasserpumpe anpasste, berichtete TC Sun, ein Biologiestudent aus North Potomac, Maryland, dass der Feldkurs „einer der besten Kurse“ sei, die er an der Penn belegt habe. „Ich wäre lieber hier draußen als in einem Hörsaal, und man lernt genauso viel, wenn nicht sogar mehr.“

Sherwood ist zuversichtlich, dass die Studie nach Abschluss aller Ergebnisse und Analysen solide genug sein könnte, um veröffentlicht zu werden. Und in der Zwischenzeit lud Kreeger ihn ein, dem wissenschaftlichen Beirat der Initiative „Partnership for the Delaware Estuary's Mussels for Clean Water“ beizutreten, wo er im Vorfeld der Umsetzung des Bartram-Projekts Beiträge leistete und sich mit Fragen wie der Art oder Mischung befasste der Arten, die eingeführt werden sollen. Eine Demonstrationsbrüterei ist bei den Fairmount Water Works bereits in Betrieb, aber das Bartram-Projekt ist als Produktionsanlage gedacht, die einen echten Einfluss auf die Wasserqualität haben könnte.

„Die Fragen, die wir stellen, sind wirklich wichtig“, sagt Sherwood. „Es gibt bereits viele öffentliche Investitionen in dieses Projekt, daher ist alles, was wir beitragen können, wertvoll.“

Für die Studierenden gab diese Erfahrung einen Eindruck davon, was es bedeutet, Wissenschaftler zu sein, in all seiner unordentlichen Pracht.

„Durch die gesamte Struktur des Kurses habe ich viel darüber gelernt, wie Wissenschaft in der realen Welt funktioniert, wo die Dinge ungewiss sein können“, sagt Yang, der über mögliche Karrieren in der wissenschaftlichen Kunst oder im Naturschutz nachdenkt. „Manche Dinge können in letzter Minute passieren, mit denen man nicht gerechnet hat“, bemerkt sie, etwa als das Durchflusszytometer mitten in der Zählung unserer Bakterienproben kaputt ging. „Sie konnten nicht allzu sehr an dem festhalten, was Sie im Vorschlag niedergeschrieben haben.“

Mit Blick auf die Zukunft möchte Sherwood mit einer zusätzlichen Ernennung zum Senior Fellow am Water Center in Penn und mit Unterstützung des Penn Program in Environmental Humanities und eines „Making a Difference in Diverse Communities“-Stipendiums der School of Arts and Sciences beeindrucken noch mehr Menschen die Vielfalt und Dynamik des Lebens im Wasser näher bringen.

„Die nächste Phase dieses Feldkurs-‚Experiments‘ besteht darin, Penn-Studenten die Möglichkeit zu geben, mit der breiteren Philadelphia-Gemeinschaft in Kontakt zu treten“, sagt Sherwood. „Hier besteht eine echte Gelegenheit, diese Art von Outdoor-Erlebnissen mit unseren Nachbarn in West-Philadelphia zu teilen.“

Foto der Homepage: Senior Ahsen Kayani prüft den Wasserstand in den Tanks, um sich auf die Zugabe von Muscheln vorzubereiten. Da die Arbeiten im Freien am Kaskey Park durchgeführt wurden, mussten die Schüler angesichts der Witterungseinflüsse flexibel sein, um ihre Experimente durchführen zu können.