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Alge

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Batrachospermum moniliforme, eine im Süßwasser lebende Rotalge
Kolonie der Grünalge Pediastrum (lichtmikroskopische Aufnahme)

Die Bezeichnung Alge (lat. alga = „Seegras“, „Tang“)[1] wird auf verschiedene eukaryotische Lebewesen angewendet, die im Wasser leben und Photosynthese betreiben. Dazu gehören auch zahlreiche photosynthetische Protisten. Algen stellen keine monophyletische Verwandtschaftsgruppe im Sinne der biologischen Systematik dar. Gleichwohl wird die Bezeichnung „Algen“ auch in der Biologie für einen Sammelbegriff verwendet.

Traditionell werden Cyanobakterien als „Blaualgen“ bezeichnet. Ursprünglich wurden sie aufgrund von äußerlichen Ähnlichkeiten ebenfalls zu den Algen gestellt. Als Bakterien gehören sie jedoch zu den Prokaryoten und sind somit keine Algen. Sie sind Gegenstand der Bakteriologie, werden aber als historisches Relikt teilweise noch von der Botanik mit behandelt.

Zur Bezeichnung der Algenkunde werden zwei gleichbedeutende Fremdwörter verwendet: Algologie oder seltener Phykologie (griechisch φῦκος phykos „Tang“).[2]

Makroalgen und Mikroalgen

Anhand ihrer Größe kann man Algen in zwei Gruppen einteilen. Als Mikroalgen werden mikroskopisch kleinen Arten zusammengefasst, zu ihnen gehören insbesondere einzellige Formen. Die Makroalgen (Großalgen) sind dagegen mit bloßem Auge erkennbar, ihre Länge reicht von wenigen Millimetern bis zu 60 Metern. Die meisten Großalgen leben im Meer (Seetang).[3] Im Süßwasser zählen beispielsweise die Armleuchteralgen zu den Makroalgen.

Vorkommen und Lebensweise

Trentepohlia aurea: eine weit verbreitete, orangerote Luftalge

Man findet Algen hauptsächlich in den lichtdurchdrungenen Schichten der Meere und in allen Lebensräumen des Süßwassers. Im Wasser frei schwebende Algen bilden das Phytoplankton, den photoautotrophen Teil des Planktons. Auch das Phytobenthos, die „Pflanzen“ der Gewässerböden, wird hauptsächlich durch Algen gebildet. Als Tange bezeichnet man große Makroalgen, die ausgedehnte Tangwälder in den Küstenbereichen der Meere bilden.

Ein kleinerer Teil der Algen hat sich durch Anpassung an (temporäre) Trockenheit auf Lebensräume außerhalb von Wasserkörpern spezialisiert. Luftalgen (Aerophyten) etwa wachsen auf exponierten Oberflächen wie Baumstämmen oder Felsen. Sie können diese oberflächlich bunt färben. Ein Beispiel ist die in Mitteleuropa häufige Gattung Trentepohlia. Bodenalgen (terrestrische Algen) leben auf oder in Böden. So ist etwa die Grünalge Fritschiella ein Vertreter des Edaphons. Schneealgen haben sich auf langsam abtauende Schneefelder in Gebirgen und Polarregionen spezialisiert und bilden dort im Sommer etwa das Phänomen des Blutschnees.

Die Mikroalgen des Meeres sind in ihrer ökosystemaren Gesamtheit mixotroph. Sie betreiben zwar Photosynthese, beziehen jedoch ein Viertel ihrer Biomasse aus dem Verzehr von Bakterioplankton.[4] Mixotrophie ist auch von vielen im Süßwasser vorkommenden, als Algen bezeichneten Protisten bekannt, etwa dem „Augentierchen“ Euglena.

Insbesondere einzellige Algen gehen auch Symbiosen ein, zum Beispiel als Zooxanthellen in manchen Meerestieren, die dadurch unabhängig von äußerer Nahrungszufuhr werden oder einfach Tarnung erhalten. Am intensivsten gediehen ist die Symbiose zwischen Algen und Pilzen in den Flechten. Diese stellen echte Doppelwesen dar, die gemeinsame Vermehrungsorgane ausbilden.

Einige wenige einzellige Algen aus den Gattungen Prototheca und Helicosporidium können Infektionskrankheiten bei Säugetieren (inklusive Menschen) verursachen, siehe dazu Protothekose.

Morphologische Organisationsstufen

Kokkale Kieselalgen (lichtmikroskopische Aufnahme, Dunkelfeld)
Kokkale Grünalgen und Stäbchenbakterien (sekundärelektronenmikroskopische Aufnahme)
Thallöser Riesentang:
oben Phylloid, Mitte Cauloid, unten Rhizoid

Eine Organisationsstufe umfasst Gruppen von Algen mit gemeinsamen morphologischen Merkmalen der Individuen (etwa die äußere Zellbeschaffenheit oder die Zellanordnung bei Mehrzellern betreffend), unabhängig von ihrer tatsächlichen Verwandtschaft. Die Organisationsstufen wurden in der klassischen Systematik der Algen zur künstlichen Unterteilung der verschiedenen Klassen in Ordnungen genutzt.

Man unterscheidet zwischen folgenden Stufen (Auswahl):

  • monadoide oder monadale Stufe: Algen, die hierzu gezählt werden, sind begeißelte Einzeller. Die monodale Stufe ist also den Flagellaten gleichzusetzen. Sie ist bei fast allen Gruppen der Algen vorhanden, sie fehlt nur bei den Rotalgen, Schmuckalgen und den Pennales (eine Teilgruppe der Kieselalgen).
  • rhizopodial oder amöboid: Es handelt sich um unbegeißelte, amöboide Einzeller, die keine Zellwand besitzen. Die Fortbewegung erfolgt kriechend durch Pseudopodien, also durch Ausstülpungen des Zellplasmas. Einige Gattungen der Goldalgen sind als Beispiel anzuführen.
  • monadoide, koloniebildende Stufe: Es handelt sich um begeißelte Einzeller, die in einer Gallerte zusammengehalten werden und eine Zellkolonie bilden. Es besteht bereits eine Tendenz zur Zelldifferenzierung. Während Gonium sacculiferum noch aus vier gleichen „Chlaymodmonas-ähnlichen“ Einzelzellen besteht, findet man bei Kolonien aus mehreren tausenden Zellen der Gattung Volvox bereits vegetative und Geschlechtszellen.
  • capsal (kapsal, tetrasporal oder palmelloid): Unbegeißelte Einzelzeller, die nach der Teilung von einer Gallerthülle zusammengehalten werden. Es entstehen Coenobien, Verbände aus eigenständigen Einzelzellen. Ein Beispiel ist Tetraspora.
  • kokkal (coccal): Unbewegliche Einzeller (ohne Geißeln), die eine verdickte Zellwand besitzen. Die Algen der Gattung Chlorococcum (Grünalgen) besitzen im vegetativen Zustand keine Geißeln, die Organisationsstufe ist kokkal. Nur bei der Vermehrung werden begeißelte Einzeller, die Zoosporen, gebildet. Fast alle Kieselalgen, bei denen die Zellwand aus Siliziumdioxid („Kieselsäure“) besteht, zählen zu dieser Organisationsstufe.
  • trichal: Algen dieser Stufe bilden mehrzellige, fadenförmige Vegetationskörper. Die einzelnen Zellen sind durch Zellwände voneinander getrennt. Die Zellfäden entstehen durch Zellteilungen in nur einer Ebene (also sozusagen eindimensional). Es können auch Verzweigungen gebildet werden. Die Schraubenalge sei als Beispiel genannt.
  • siphonal: Der Körper besteht aus einer einzigen, vielkernigen Zelle. Die Bildung erfolgt durch Kernteilungen in mehreren Raumebenen ohne Bildung von trennenden Zellmembranen und Zellwänden. Der Coenoblast kann einen mehrkernigen schlauch- oder blasenförmigen Thallus bilden. Ein Beispiel ist die Schirmalge. In der Systematik wurden Arten dieser Stufe teilweise als die Gruppe Siphonales zusammengefasst.
  • thallös: Es wird durch Zellteilungen in verschiedenen Raumrichtungen (dreidimensional) ein Thallus gebildet. Dieser kann scheinbar in Gewebe unterteilt sein. Der Thallus vieler Braunalgen ist in Rhizoid (analog zu den Wurzelgewebe), Cauloid (entspricht der Sprossachse) und Phylloid (blattähnlich) gegliedert. Thallöse Algen können große Vegetationskörper bilden. So hat der Riesentang eine Länge von bis zu 60 Meter.

Algen in den Weltmeeren

In den Weltmeeren bildet sich Phytoplankton sehr gehäuft in der Arktis und im Küstenbereich, sehr wenig Phytoplankton gibt es im subtropischen Bereich. Der Anteil an Plankton lässt sich durch Satellitenaufnahmen mit Spezialkameras aus dem Weltraum abschätzen. Es gibt etwa 10.000 verschiedene Algenarten, etwa 500 Arten sind besonders wichtig. Die Algen des Phytoplanktons sind zwischen einem tausendstel Millimeter und einem halben Millimeter groß. Winzige Planktontierchen (Zooplankton), fressen in den Weltmeeren die Algen. Ein großer Teil der Algen stirbt ab und sinkt auf den Meeresgrund.

Meeresalgen haben vermutlich einen sehr wichtigen Einfluss für die Bindung des Kohlendioxids aus der Atmosphäre.[5] Es wird geschätzt, dass jährlich 45 bis 50 Milliarden Tonnen Kohlenstoff des Kohlendioxids in Phytoplanktonbiomasse gebunden werden. Man nimmt an, dass nach dem Absterben dieses Phytoplankton in die Tiefe des Meeres sinkt und durch den mikrobiellen Abbau entstehendes Kohlendioxid gebunden bleibt. Etwa 15 % oder 8 Milliarden Tonnen des im Phytoplankton assimilierten Kohlenstoffs sinkt in die Tiefe. Ohne das Phytoplankton der Meere läge die Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre vermutlich statt bei 365 ppm bei 565 ppm.[6] Das Phytoplankton wirkt also als Kohlenstoffpumpe, indem es Kohlendioxid aus der Luft und aus wässriger Lösung bindet und den Kohlenstoff in die Tiefsee verfrachtet.

Aus dem abgestorbenen Phytoplankton, das in die Tiefsee abgesunken ist und dort unter hohem Druck steht, entsteht nach vielen Jahrtausenden schließlich Erdöl und Erdgas.

Wissenschaftler haben herausgefunden, dass die Algenproduktion im Meerwasser durch Zugabe von Eisenionen erheblich zunimmt. Eine derartige Eisendüngung könnte zu einer verstärkten Einlagerung von Kohlenstoff aus atmosphärischem Kohlendioxid in den Meeresboden durch absinkende Algen führen.[7]

Erzeugung und Nutzung von Algen

Getrocknete Nori-Algen

Algen und ihre Inhaltsstoffe können für vielfältige Zwecke verwendet werden. Teilweise erfolgt die Gewinnung direkt aus dem Meer. Die Kultivierung im Meer, in Aquakulturen oder in Photobioreaktoren gewinnt an Bedeutung.

Algen als Nahrungsmittel

→ Hauptartikel: Algen (Lebensmittel)

  • Von den weltweit bekannten 80.000 (geschätzte 400.000) Algenarten werden nur ca. 160 industriell (unter anderem als Nahrungsmittel) genutzt.
  • Verschiedene große Algenarten (Makroalgen) werden roh als Salat oder gedünstet als Gemüse verzehrt. Der Schwerpunkt der Nutzung liegt in Südostasien, wo jährlich ca. 9 Millionen Tonnen verzehrt werden.
  • Algen besitzen einen sehr hohen Anteil an Mineralstoffen und Spurenelementen. Ein hoher Anteil an Kohlenhydraten, ungesättigten Fettsäuren oder Beta-Carotinen sind Argumente für die Verwendung weiterer Algensorten als Nahrungsmittel.
  • In Ländern wie Japan ist der Anbau von Rotalgenarten (z. B. für Sushi) ein bedeutender Wirtschaftszweig.

Energetische Nutzung

Herstellung von Biowasserstoff mittels Algen im Labormaßstab

Verschiedene Möglichkeiten zur energetischen Nutzung von Algen, z. B. als Algenkraftstoff (Biokraftstoff), werden untersucht. Zum Teil wird dies mit umwelttechnischen Anwendungen verknüpft:

Weitere Anwendungen

Bei weiteren, teilweise sehr speziellen Anwendungen werden Produkte der Algen, ihre Inhaltsstoffe, ihre Abbaufähigkeiten oder ihre Abbauprodukte verwendet:

  • Kieselalgen sind beispielsweise reich an Kohlenhydraten, Fettsäuren, Steroiden und Vitaminen. Diese werden auf vielfältigste Weise, z. B. als Nahrungsergänzungen („Spiruletten“), Verdickungsmittel (Agar) in Kosmetikprodukten oder in der Industrie verwendet.
  • Die Pigmente in den Algen können künftig eine umweltfreundlichere Alternative für Tinte sein, da sie biologisch besser abbaubar sind.
  • Im Abwassersektor können Algen zum Binden von ausgeschwemmten Düngemitteln eingesetzt und selbst wieder als Algendünger verwendet werden. Wie durch andere Pflanzen auch, kann mit ihrer Hilfe Kohlenstoffdioxid (CO2) gebunden werden. Zudem werden Pathogene inkorporiert oder sie sterben in dem Milieu ab, das die Algen während ihres Wachstums produzieren, so dass es zur Trinkwasserdesinfektion im ländlichen Sektor geeignet ist.[8]
  • Aktuell erforscht ein Zusammenschluss von Wissenschaftlern der University of Bath, University of Bristol, Cardiff University und der University of Exeter das Potenzial von speziellen Algen, toxische Schwermetalle aus Abwasser, z. B. in Zusammenhang mit stillgelegten Gruben und Bergwerken, zu filtern. Diese wurden bei einem Forschungsprojekt im Kontext einer stillgelegten Zinn-Mine in Cornwall, Großbritannien auf dem dort wachsenden Schilfgras entdeckt, als die Pflanzen im Umfeld der stillgelegten Mine auf Folgen des toxischen Grubenabwassers untersucht wurden.[9]
  • Zudem wurden aus Ablagerungen abgestorbener Algen weite Teile der heute verwendeten fossilen Rohstoffe (Erdöl, Erdgas) gebildet.
  • Aus Braunalgen lässt sich Alginsäure gewinnen, deren Salze (Alginate) als Verdickungs- und Geliermittel zum Einsatz kommen. Alginat wird auch in der Biomedizintechnik verwendet, zum Beispiel zur Wundabdeckung.[10]
  • In einigen medizinischen und alternativmedizinischen Anwendungen kommen aus Algen gewonnene Produkte zur Anwendung.[11]
  • Auch lässt sich aus Algen eine hochkristalline Form der Cellulose gewinnen, die zum Beispiel bei der Herstellung von Tabletten eingesetzt werden kann[12] oder als Verstärkungsmaterial für Naturfaserverbundwerkstoffe.[13]

Anbau in Deutschland

In List auf der Insel Sylt gibt es einen von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt finanzierten, unter der Leitung von Klaus Lüning vom Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung durchgeführten Versuchsanbau von Rot- und Braunalgen, nämlich Palmaria und Laminaria.

Seit dem Jahr 1999 existiert in Deutschland eine weltweit einzigartige Produktionsanlage für Mikroalgen in Klötze. In dieser wird, unter Leitung von Steinberg, die Grünalge Chlorella vulgaris in einem 500 km langen patentierten Glasröhrensystem kultiviert.

Forschung

Die Algen umfassen eine riesige Artenvielfalt, von der bislang verhältnismäßig wenig bekannt ist. Umso interessanter ist die Suche nach unbekannten Arten und die Erforschung der möglichen Nutzbarkeit in verschiedenen Industriezweigen.

Die Georg-August-Universität Göttingen besitzt eine der weltweit umfassendsten Algensammlungen mit gegenwärtig rund 2200 Stämmen.

Die wichtigsten Gruppen der Algen

Nachdem die Algen keine natürliche Gruppe darstellen, erfolgt hier eine Aufstellung an Taxa, in denen Algen vorkommen (unvollständig):

  • Glaucophyta: einzellige Flagellaten mit Cyanellen, im Süßwasser (Glaucocystaceae)
  • Haptophyta: leben vor allem marin
  • Schlundgeißler (Cryptista): meist einzellig, Meer- und Süßwasserbewohner
  • Euglenozoa (Eugleonphyta): bekannt ist das „Augentierchen“ Euglena
  • Dinozoa (s. Dinoflagellaten), ca. 1100 Arten: Braune (das grüne Chlorophyll wird durch rote Fucoxanthine überdeckt), einzellige, begeißelte Zellen mit einer seitlichen und einer basalen (am hinteren Pol) Geißel. Sie besitzen innerhalb der Zellmembran einen festen Zellulosepanzer. Sie leben marin oder limnisch. Viele haben spezielle Schwebeeinrichtungen.
  • Raphidophyceae (Chloromonadophyceae): meist im Süßwasser vorkommend
  • Chlorarachniophyta: marin, es gibt 6 bekannte Gattungen
  • Gelbgrüne Algen (Xanthophyceae): leben nur im Süßwasser
  • Goldalgen (Chrysophyta): selten marin, meist im Süßwasser vorkommend mit einer oder zwei apikalen (= an der Spitze sitzenden) Geißeln. Viele von ihnen bilden Kolonien.
  • Kieselalgen (Bacillariophyta, auch Diatomeen genannt): vorwiegend im Meer lebend
  • Braunalgen (Phaeophyta), ca. 1500 Arten: fast ausschließlich marin, kleine, zart gebaute, fädige, bis sehr große, außerordentlich widerstandsfähige, derbe Organismen.
  • Rotalgen (Rhodophyta): vorwiegend in der Litoralzone des Meeres, auch in kalten sauberen Bächen
  • Grünalgen (Chlorophyta), ca. 8000 Arten: Meer (2/5 aller Arten), Süßwasser (3/5 aller Arten) und auch landlebende Vertreter

In der klassischen Einteilung der Algen werden die Chloromonadophyta, Gelbgrünen Algen, Goldalgen, Kieselalgen und die Braunalgen als Klassen zu der Gruppe Heterokontophyta gestellt.

Taxa der phylogenetischen Systematik, in denen Algengruppen vorkommen:

  • Excavata: Zu ihnen werden die Euglenozoa gestellt.
  • Stramenopile (auch als Chromista bezeichnet): In dieser Gruppe werden die Haptophyta, Cryptophyta, Chlorarachniophyta und Heterokontophyta eingeordnet.
  • Alveolata: Zu den Alveolata werden die Dinoflagellata gestellt.
  • Biliphyta: Die Glaucophyta und die Rotalgen werden zu den Biliphyta zusammengefasst.

Einzelnachweise

  1. ↑ Duden online: Alge
  2. ↑ Duden online: Algologie und Phykologie
  3. ↑ Wolfram Braune: Meeresalgen. Ein Farbbildführer zu den verbreiteten benthischen Grün-, Braun- und Rotalgen der Weltmeere. Ruggell: Gantner, 2008, ISBN 978-3-906166-69-8, S. 11–13.
  4. ↑ Zubkov MV, Tarran GA: High bacterivory by the smallest phytoplankton in the North Atlantic Ocean. In: Nature 455 (2008): 224–226
  5. ↑ Victor Smetacek: Die Primärproduktion der marinen Plankton-Algen, Spektrum der Wissenschaften, Heft 12/1991, S. 52
  6. ↑ Paul G. Falkowski: Der unsichtbare Wald im Meer, Spektrum der Wissenschaften, Heft 6/2003, S. 56 ff.
  7. ↑ Grünes Licht für Meeresdüngung heise.de
  8. ↑ Naturnahe Abwasserdesinfektion durch nachgeschaltete Algenteiche, Patent DE102006020917.‌
  9. ↑ Researchers to use algae to clean up mine water
  10. ↑ Willi Paul and Chandra P. Sharma: Chitosan and Alginate Wound Dressings: A Short Review, Trends Biomater. Artif. Organs, 2004, Ausgabe 18, S. 18–23
  11. ↑ Werner-Christian Simonis: Die niederen Heilpflanzen. Pilze - Algen - Flechten. Heidelberg 1970.
  12. ↑ Maria Strømme, Albert Mihranyan, Ragnar Ek: What to do with all these algae?, Materials Letters, 2002, Ausgabe 57, S. 569–572
  13. ↑ Min Woo Lee, Seong Ok Han, Yung Bum Seo: Red algae fibre/poly(butylene succinate) biocomposites: The effect of fibre content on their mechanical and thermal properties. Composites Science and Technology, 2010, Ausgabe 68, S. 1266–1272

Literatur

Film

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Wiktionary: Alge – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
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