Die verborgenen Stärken von Süßwassermuscheln

BILDNACHWEIS: GARY J. WEGE / USFWS

Die Higgins-Augenperlmuschel, die früher in Flüssen im Mittleren Westen der USA weit verbreitet war, ist eine von vielen Süßwassermuschelarten, die durch Lebensraumverlust, Verschmutzung und invasive Feinde wie Zebramuscheln bedroht sind. Wissenschaftler nutzen verschiedene Strategien, um diese gefährdeten Ökosystemingenieure vor dem Abgrund zu bewahren.

Die bescheidenen Muscheln können verschmutztes Wasser reinigen und die Artenvielfalt steigern – doch in gestauten Flüssen und verschmutzten Wassereinzugsgebieten sind viele Arten vom Aussterben bedroht. Mit Hilfe können sie sich vielleicht selbst retten.

Von Sharon Levy 21.06.2019

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Da Süßwassermuscheln die meiste Zeit ihres Lebens in Bachbetten vergraben sind, kann man sie leicht übersehen. Man könnte durch ein dichtes Bett davon waten, ohne es zu merken. Ein aufmerksamer Schnorchler könnte verstreute Muscheln und Löcherpaare im Flussboden sehen, wo die Siphons der Kreaturen das Sediment durchbohren.

Doch auch wenn sie außer Sichtweite kauern, prägen Süßwassermuscheln Ökosysteme.

Sie leiten Nahrung nach unten, befeuern das Leben im Flussbett und klären das Wasser für andere Arten. Sie tragen dazu bei, die Nährstoffbelastung zu verringern, ein weit verbreitetes Problem, das in manchen Gewässern zu toten Zonen führt.

Und heute sind sie in Schwierigkeiten, da die Aussterbe- und Gefährdungsraten weltweit zu den höchsten zählen. Allein in Nordamerika sind im letzten Jahrhundert 30 Süßwassermuschelarten ausgestorben, und 65 Prozent der überlebenden Arten gelten als gefährdet, bedroht oder gefährdet – vor allem aufgrund der großflächigen Stauung von Flüssen.

In den 1920er- bis 1980er-Jahren zerstörte ein rasanter Staudammbau Tausende Kilometer Lebensraum und zersplitterte noch viel mehr. Muscheln sind an flache, frei fließende Gewässer angepasst und können in den tiefen, kalten und sauerstoffarmen Bedingungen, die große Staudämme kilometerweit flussabwärts schaffen, nicht überleben, sagt Wendell Haag, Biologe für Fischereiforschung am Kentucky Department of Fish and Wildlife Ressourcenzentrum für Molluskenschutz.

Manche Muscheln locken die Fische, deren Kiemen vorübergehend Muschellarven beherbergen, an, indem sie eine fleischige Klappe präsentieren, die wie eine schmackhafte Mahlzeit aussieht, beispielsweise ein kleiner Fisch oder ein Krebs. Wenn der Fisch anbeißt, setzt die Muschel eine Wolke aus Tausenden von Muschellarven, sogenannten Glochidien, frei, von denen sich einige in den Kiemen des Fisches niederlassen. Nachdem sie zu Jungtieren herangewachsen sind, fallen die jungen Muscheln ab und setzen sich im Sediment ab.

BILDNACHWEIS: CHRIS BARNHART / MISSOURI STATE UNIVERSITY

Jetzt hat eine Gruppe von Biologen einen zweigleisigen Plan, um Muscheln vom Abgrund zu befreien. Sie arbeiten daran, die PR der Muscheln zu stärken, indem sie die von ihnen angebotenen Wasserreinigungsdienste bekannt machen. Und ihr Ziel ist es, die Tiere dazu zu bringen, Gewässer zurückzugewinnen, indem sie sie in großer Zahl aufziehen und dann in die Wildnis entlassen.

Damit stellen die Wissenschaftler den traditionellen Naturschutz auf den Kopf: Anstatt den Lebensraum zu schützen, um ein bedrohtes Lebewesen zu retten, geht es darum, Muscheln selbst zur Rettung ihres Lebensraums einzusetzen. „Muscheln sind Biofilter“, sagt Caryn Vaughn, Ökologin an der University of Oklahoma, die im Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics 2018 einen Artikel über die ökologischen Rollen der Lebewesen mitverfasst hat. „Und wenn wir die Menschen davon überzeugen können, dass das wichtig ist, dann ist das meiner Meinung nach ein Werkzeug, um sie zu retten.“

In gesunden Bächen leben Muscheln in großen Bänken, die Tausende von Individuen verschiedener Arten beherbergen können, von denen jedes ausgewachsene Exemplar so groß wie ein Baseball oder größer ist. Sie sind langlebig – einige Arten haben eine Lebensdauer von mehr als 100 Jahren. Sie führen ein extravagantes Fortpflanzungsleben, das wahrscheinlich vor mehr als 100 Millionen Jahren seinen Anfang nahm, als ein Vorfahre der heutigen Muscheln eine Strategie entwickelte, bei der seine Larven per Anhalter auf Fischen unterwegs waren.

Jedes Weibchen produziert Millionen dieser Larven, Glochidien genannt, und viele Muschelarten stellen kunstvolle Köder her, die der Beute ihrer spezifischen Fischwirte ähneln. Sobald sie an Bord eines Fisches sind, bilden Glochidien Zysten an den Kiemen oder Flossen des Tieres, bis sie sich in Jungfische verwandeln, abfallen und sich auf dem Grund des Baches niederlassen. Vielleicht erreichen zwei von einer Million das gebärfähige Alter.

Die Ouachita-Niermuschel verpackt ihre Larven, Glochidien genannt, in einer Membran, die einem kleinen Fisch ähnelt. Wenn ein echter Fisch es schnappt, platzt die Membran und gibt die Glochidien frei, die eine Zeit lang in den Kiemen des Fisches leben.

BILDNACHWEIS: CHRIS BARNHART / MISSOURI STATE UNIVERSITY

Diese komplexe Interaktion mit Fischwirten trug zum Gedeihen und zur Ausbreitung der Muscheln bei. „Fische können flussaufwärts schwimmen, Muscheln hingegen nicht“, bemerkt Chris Barnhart, ein Biologe an der Missouri State University, der sich mit der Vermehrung von Muscheln für Forschungs- und Restaurierungszwecke beschäftigt. Indem sie auf Fischen reiten, können Muscheln flussaufwärts gelegene Lebensräume besiedeln – eine Innovation, die so wirkungsvoll ist, dass alle lebenden Mitglieder der Süßwassermuschelfamilie, die Unionidae, von dem längst verstorbenen Vorfahren abstammen, der diese Taktik übernommen hat.

Aber die Ausbreitung von Staudämmen hat die Fischbewegungen blockiert, viele Muschelpopulationen von ihren Wirten abgeschnitten und ihre Fortpflanzungsfähigkeit beeinträchtigt. Andere Populationen trockneten aus, weil Wasserumleitungen die Flüsse in ihren Heimatbächen verringerten, oder sie wurden Opfer der Wasserverschmutzung durch Abwasser aus Kläranlagen, Industrieunfällen und nährstoffreichem Abfluss von Bauernhöfen und Städten. Invasive Arten bedrohen wiederum andere Arten (nichteinheimische Zebra- und Quagga-Muscheln verdrängen beispielsweise einheimische Muscheln, und Zebramuscheln bleiben in großer Zahl bei einheimischen Muscheln hängen). Auch wenn sich Naturschützer auf die Rettung von Arten konzentrieren, die als bedroht oder gefährdet eingestuft sind, geht der allgemeine Rückgang der Muschelzahlen weiter – was wiederum zur Verschlechterung der Süßwasserlebensräume in den USA und auf der ganzen Welt beiträgt.

Menschliche Aktivitäten treffen Muscheln hart: Von den 270 nordamerikanischen Süßwassermuschelarten (oberes Diagramm) sind 30 in den letzten 100 Jahren ausgestorben, 95 gelten als gefährdet oder bedroht und ein großer Teil der übrigen Arten gilt als gefährdet ( mittleres Kreisdiagramm). Ein typisches Beispiel ist der Kiamichi-Fluss (untere Grafik), wo mehrere Jahre Dürre in Kombination mit der Aufstauung des Flusses die Wassertemperatur ansteigen ließen und viele Muscheln töteten. (Für Standort 10 wird kein Balken für den Rückgang der Muscheldichte angezeigt, da die Änderung für den Maßstab des Diagramms zu gering war.)

Als Vaughn Anfang der 1990er Jahre begann, einen US-Fluss zu untersuchen – den Kiamichi –, wurde sie aus erster Hand Zeuge eines steilen Niedergangs. Der Fluss, der im Hochland im Südosten von Oklahoma entspringt, war die Heimat einer Fülle von Süßwassermuscheln, die 31 verschiedenen Arten angehörten. Ihre Langzeitstudie dokumentierte einen drastischen Rückgang: 60 Prozent des Muschelbestands sind in den letzten 20 Jahren verschwunden.

Erhebliche Verluste begannen während einer schweren Dürre, die 1998 begann und erst 2005 nachließ. „Dürre kommt in dieser Region häufig vor, sie ist zyklisch und dauert schon so lange an, wie Menschen Aufzeichnungen führen“, sagt Vaughn. Doch die Muscheln mussten sich mit etwas Neuem auseinandersetzen: dem Wassermanagement an einem 1982 erbauten Damm, der den Fluss eines wichtigen Nebenflusses von Kiamichi zurückhält. Je trockener die Bedingungen wurden, desto mehr Wasser wurde für den menschlichen Gebrauch zurückgehalten, wodurch die Temperatur des verbleibenden Wassers anstieg und viele Muscheln starben.

Muschelfeldforschung am Kiamichi River in Oklahoma. Muscheln spielen eine wichtige Rolle im Nährstoffkreislauf, indem sie organische Stoffe aus dem Wasser entfernen, gelöste Nährstoffe wieder in das Wasser ausscheiden und diese Nährstoffe im Sediment ablagern. Im Kiamichi können Muscheln im Sommer das gesamte darüber liegende Wasservolumen verarbeiten.

BILDNACHWEIS: CARYN VAUGHN

Aber Vaughn erlebte auch etwas Hoffnungsvolles. Wie sie und ihre Kollegen in der Zeitschrift Ambio berichteten, verloren die Kiamichi während der Dürre eine beträchtliche Artenzahl und auch die Gesamtzahl ging zurück, während die Populationen im nahegelegenen Little River stabil blieben. Der Schlüssel war ein Unterschied im Management. Am Damm am Little River kam es zu den größten Wasserfreisetzungen im Spätsommer und Herbst, der trockensten Zeit des Jahres, die die Muscheln während der Dürre vor hohen Temperaturen im flachen Wasser schützte. Mit anderen Worten: Ein intelligentes Wassermanagement kann dazu beitragen, Muscheln zu erhalten, auch wenn der Klimawandel den menschlichen Bedarf an Süßwasser erhöht. Naturschützer klagen nun, weil sie verlangen, dass die Abflüsse hoch genug sind, um gefährdete Muscheln im Kiamichi zu schützen.

Gefährdete Muscheln können einen rechtlichen Hebel darstellen, ihnen fehlt jedoch die Anziehungskraft eines Wolfes oder eines Falken. „Eine Süßwassermuschel ist das Gegenteil einer charismatischen Art“, sagt Vaughn. „Die Leute sehen es nicht und wissen nicht, was es tut.“

Tatsächlich ist eine erwachsene Muschel jedoch ein leistungsstarker, langlebiger und effizienter Wasserfilter in einer harten Schale. Es kann täglich bis zu 10 Gallonen Wasser filtern, Algen und organische Stoffe entfernen und das Wasser von trüb in klar umwandeln, sodass am Boden lebende Pflanzen mehr Licht erhalten.

Aus dem Material, das es filtert, baut es sein eigenes Gewebe auf und bindet Stickstoff, Phosphor und Kohlenstoff für Jahrzehnte. Und es lagert seine Abfälle im Bachbett ab und liefert Nährstoffe für am Boden lebende Algen, Insekten und andere Wirbellose, die wiederum Fische ernähren.

Eine Riffelmuschel wartet geduldig auf den Besuch eines Fisches, der vorübergehend gefangen bleibt, während die Muschel ihre Larven freisetzt. Die winzigen Muschelnachkommen leben und entwickeln sich in den Kiemen der Fische, bis die kleinen, jungen Muscheln bereit sind, im Bachbett ihr Leben aufzunehmen.

BILDNACHWEIS: CHRIS BARNHART / MISSOURI STATE UNIVERSITY

Eine in der Fachzeitschrift PeerJ veröffentlichte Studie über den Oberen Mississippi ergab, dass die relativ gesunde Muschelpopulation dort täglich mehr als 14 Milliarden Gallonen Wasser filtert, dabei Tonnen von Biomasse entfernt und Tonnen von Kohlenstoff und Stickstoff an der Sedimentoberfläche ablagert. Unter Muschelbänken gedeihen Bakterien, die Stickstoffverbindungen in harmloses Stickstoffgas umwandeln.

Andere in Environmental Science & Technology veröffentlichte Studien zeigten, dass der California Floater, eine bedrohte Muschel aus Kalifornien und dem pazifischen Nordwesten, die Menge an Fäkalienbakterien im Flusswasser und in Seen drastisch senkt.

Wenn es gelingt, die frühere Häufigkeit von Süßwassermuscheln wiederherzustellen, schreiben die Ökologin Danielle Kreeger und ihre Kollegen im Journal of Shellfish Research, gibt es Grund zu der Annahme, dass die Lebewesen die Nährstoffbelastung verringern und die Kosten für die Trinkwasserfiltration senken können. „Wenn Ihr System in der Vergangenheit eine Muschelpopulation hatte und dies nicht mehr der Fall ist, bin ich nicht davon überzeugt, dass diese gesund ist, bis Sie Ihre natürliche Muschelgemeinschaft wieder haben“, sagt Kreeger.

Nährstoffverschmutzung ist eine weit verbreitete Bedrohung für aquatische Ökosysteme. Abwassereinleitungen und synthetische Düngemittel, die in der Intensivlandwirtschaft eingesetzt werden, geben große Mengen an Stickstoff und Phosphor in die Flüsse ab und lösen schädliche Algen- und Cyanobakterienblüten aus. Wenn abgestorbene Zellen zu Boden sinken, werden sie von Bakterien verdaut, wodurch dem Wasser Sauerstoff entzogen wird. Während der intensiven Blüte können Fische und andere Wasserlebewesen ersticken.

Die winzigen Larven der vom Aussterben bedrohten Austernmuschel (Epioblasma capsaeformis) verbringen einen Teil ihres Lebens eingebettet in den Kiemen oder Flossen eines Wirtsfisches. Glochidien sind hier als durchscheinende Kleckse auf der Flosse eines Schlangenhalsfisches sichtbar.

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Der Chesapeake, Nordamerikas größte Flussmündung, sei ein Paradebeispiel, sagt Kreeger, der bei der gemeinnützigen Organisation Partnership for the Delaware Estuary arbeitet. Die ersten Siedler dort berichteten von klarem, fischreichem Wasser. Die Bodensedimente enthielten eine Fülle von Grünpflanzen, Muscheln und Austern. Aber ab dem 16. Jahrhundert und zunehmend im 20. Jahrhundert führten Waldrodung und Landwirtschaft zu einem verstärkten Abfluss nährstoffhaltiger Sedimente in die Gewässer. Die Schalentierpopulationen gingen zurück, der Chesapeake wurde durch Sedimente und Algenblüten trüb, und einheimische, am Boden lebende Pflanzen und Tiere verschwanden.

Um den Nährstoffabfluss zu begrenzen, müssen Landwirte bewährte Bewirtschaftungspraktiken (BMPs) anwenden – Strategien wie die Minimierung des Düngemitteleinsatzes und die Anpflanzung von Feuchtgebietsvegetation entlang von Entwässerungsgräben. Die Wiederherstellung einheimischer Muscheln – insbesondere Austern – wurde kürzlich als BMP genehmigt. Bisher konzentrierten sich die Bemühungen auf die Östliche Auster, eine Salzwasserart, die das Wasser reinigt und außerdem eine wertvolle Delikatesse ist, die von den Chesapeake-Wasserleuten geerntet wird. Süßwassermuscheln mögen vielleicht nicht so lecker sein, aber sie könnten wie Austern und in einem größeren Spektrum von Lebensräumen zur Verbesserung der Wasserqualität beitragen, sagt Kreeger.

Doch bevor man Muscheln einsetzt, muss man lernen, sie zu züchten. In den letzten 20 Jahren haben mehrere Labore in den USA daran gearbeitet, Techniken zur Muschelvermehrung im Labor zu verfeinern, um Tiere für Wiederherstellungsbemühungen zu züchten. Dabei greifen sie auf Forschungen aus fast einem Jahrhundert zurück, als Süßwassermuschelschalen zur Herstellung von Knöpfen verwendet wurden und die Grundlage einer großen US-Industrie bildeten.

Das Zentrum des Knopfgeschäfts befand sich im Mittleren Westen, wo ein einziges Muschelbett in der Nähe von New Boston, Illinois, von 1894 bis 1897 mehr als 9.000 Tonnen Muscheln produzierte – aber 1899 erschöpft war. Dies war nur einer von vielen Fällen, in denen Natürliche Muschelbänke wurden durch Überfischung ausgelöscht. In den 1910er Jahren arbeiteten Forscher in Iowa und Missouri daran, das Wachstum und die Vermehrung von Muscheln zu steigern, um die Knopfindustrie am Laufen zu halten.

Im späten 19. Jahrhundert waren „Perlen“-Knöpfe aus Muschelschalen ein begehrtes Gut; 1899 gab es im Mittleren Westen der USA etwa 60 Fabriken, die jedes Jahr Millionen von Knöpfen produzierten. Die Industrie hat die lokalen Muschelpopulationen stark dezimiert, aber Aufzeichnungen aus dieser Zeit haben den heutigen Muschelforschern, die Muscheln im Labor vermehren, um sie in die Wildnis auszuwildern, Aufschluss gegeben.

BILDNACHWEIS: STEVE SIMMONS

Sie hinterließen Informationen darüber, wie und wann man Weibchen findet, die Glochidien tragen, und welche Fische die Wirte lokaler Muscheln sind. „Wir haben durch die Lektüre dieser alten Zeitungen viel gelernt“, sagt Barnhart. Sein eigenes Labor stellte fest, dass der nächste Schritt, das Anbringen von Larvenmuscheln an Wirtsfischen, relativ einfach war: Entfernen Sie Glochidien vom Weibchen, halten Sie das Wasser im Tank in Bewegung und fügen Sie den richtigen Fisch hinzu.

Als nächstes konzentrierte sich Barnharts Team darauf, eine große Anzahl von Glochidien durch ihre parasitäre Phase auf Wirtsfischen zu bringen, um so viele junge Muscheln wie möglich zu produzieren. Aber die meisten mikroskopisch kleinen Jungtiere überleben nicht, fanden sie heraus. Das Labor musste herausfinden, wie man sie auf etwa einen Zoll wachsen lässt. Dann „sind sie kugelsicher und haben eine hohe Überlebenswahrscheinlichkeit“, sagt Barnhart.

Dennoch ist der Wiederaufbau verlorener Muschelpopulationen in freier Wildbahn auch nach erfolgreicher Laboraufzucht eine komplexe Aufgabe. Der Upper Clinch River in Virginia, wo die Verschmutzung die einheimische Bevölkerung ausgelöscht hat, ist einer der wenigen Orte, an denen Sanierungsbemühungen nachweislich erfolgreich waren.

Im Jahr 2005 versuchten Forscher nach einer Säuberungsaktion, winzige junge Muscheln und Wirtsfische, die Glochidien trugen, freizulassen – beides ohne Erfolg. Erst als sie größere Jungtiere freiließen, die ein Jahr oder länger in einem Labor kultiviert worden waren, gruben sich die Muscheln ein und zeigten mit der Zeit Verhaltenszeichen der natürlichen Fortpflanzung, sagt Jess Jones, eine Restaurierungsbiologin beim US Fish and Wildlife Service, die dort arbeitete auf den Aufwand. Es wurden weibliche Muscheln beobachtet, die Larven in ihren Kiemen hielten und an die Sedimentoberfläche stiegen, um den Wirtsfischen ihre Köder zur Schau zu stellen.

Während die Bemühungen zur Wiederherstellung gefährdeter Muschelarten fortgesetzt werden und Wissenschaftler mehr über Wassermanagementpraktiken erfahren, die ihnen helfen können, arbeiten Kreeger und Kollegen an einem Plan, die Techniken in größerem Maßstab anzuwenden und dabei häufig vorkommende, nicht gefährdete Muschelarten zu verwenden. Ziel ist es, durch den Einsatz der Muscheln die Wasserqualität zu verbessern und zu schützen und so zur Wiederherstellung ganzer Ökosysteme beizutragen.

Das Projekt basiert auf jahrelanger Arbeit zur Vermehrung und Kultivierung lokaler Muscheln und wird sich auf die Wiederbelebung ihrer Populationen in den Wassereinzugsgebieten von Delaware und Chesapeake konzentrieren. Kreeger und Kollegen kommen zu dem Schluss, dass fünf Arten – die östliche Elliptio, die Alewife Floater, die Gezeitenmuckmuschel, die östliche Teichmuschel und die gelbe Lampenmuschel – die besten Kandidaten für die Wiederherstellung wären. Alle verfügen über hohe Filterkapazitäten, waren in der Vergangenheit weit verbreitet und reichlich vorhanden und sind in der Region immer noch relativ häufig.

Die Aufzucht von Muscheln im Labor ist schwierig; Unter anderem müssen Wissenschaftler die Elternmuscheln dazu bringen, ihre winzigen Larven, sogenannte Glochidien, freizulassen. Bei einigen Arten, wie etwa diesem Mitglied der Gattung Epioblasma, gelingt diese Aufgabe am besten, indem man der Muschel einen Fischkopf am Ende einer kleinen Pipette präsentiert und so einen vielversprechenden Wirt nachahmt, in dem sich die Glochidien entwickeln können. Nach der Freisetzung werden die Glochidien in die Pipette gezogen und können in Tanks aufgezogen werden.

BILDNACHWEIS: CHRIS BARNHART / MISSOURI STATE UNIVERSITY

Zu diesem Zweck unterzeichnete die Partnership for the Delaware Estuary kürzlich eine Vereinbarung mit dem Bundesstaat Pennsylvania über den Bau einer Muschelproduktionsbrüterei in Philadelphia. „Wenn die Brüterei gebaut ist und wir das Licht und die Pumpen einschalten, ist es unser Ziel, eine halbe Million Muscheln pro Jahr zu züchten, die in unseren Bächen und Flüssen überleben, und diese Investition in Form von sauberem Wasser zu amortisieren.“ Kreeger sagt.

Das Wasser muss zunächst einigermaßen sauber sein: Larven und junge Muscheln können durch relativ geringe Mengen an Ammoniak vergiftet werden, einer Form von Stickstoff, die in Gewässern häufig vorkommt, die durch Abwasser oder landwirtschaftliche Abwässer verunreinigt sind. Jahrzehnte des Dammbaus und der Umweltverschmutzung führten zum drastischen Rückgang der Muschelpopulationen im Chesapeake-Wassereinzugsgebiet. Arbeiten von Kreeger und anderen zeigen, dass einige Lebensräume nun wieder Muscheln beherbergen können.

„Bislang gab es keine Anlage, die sich auf die Produktion einer großen Anzahl verbreiteter Arten konzentrieren konnte“, sagt Kreeger. „Deshalb hatten wir nicht wirklich die Gelegenheit, viele dieser Konzepte wirklich aussagekräftig zu testen – indem man die Zahlen in einen Fluss einträgt und dann sieht, ob sich die Wasserqualität ändert.“

„Wir freuen uns darauf, das endlich testen zu können.“

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Sharon Levy ist eine in Nordkalifornien lebende Wissenschaftsjournalistin und Autorin von „The Marsh Builders: The Fight for Clean Water, Wetlands, and Wildlife“, das kürzlich bei Oxford University Press erschienen ist.

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Caryn C. Vaughn und Timothy J. Hoellein beschreiben all die guten Dinge, die Süßwassermuscheln leisten, von der Wasserfilterung bis zur Stabilisierung von Küstenlinien.

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