Cylindrospermopsis raciborskii is a filamentous freshwater cyanobacterium of tropical and subtropical origin that spread out up to northern temperate zone during the last decades. Belonging to the order Nostocales it can differentiate two types of nonvegetative cells: i) heterocysts, in which it can fix molecular nitrogen, and ii) akinetes, which are resting stages, that allow the species to pass-by unfavourable growth conditions in the sediment. In the tropics and subtropics, C. raciborskii is a perennial species, which often occurs in bloom densities, and which is prominent for the synthesis of various toxins including the potent hepatotoxin cylindrospermopsin (CYN) and neurotoxic paralytic shellfish poisoning toxins. In Europe, its northernmost populations were found in North German lakes. Here, it occurs only during the summer months and has not been observed to form mass developments. The highest documented biomass it attained was 23 % of the total phytoplankton biomass. To investigate the spatial occurrence and relative frequency of C. raciborskii, we undertook a systematic survey, sampling 142 water bodies in the lowland region of Northeast Germany from June till September 2004. The cyanobacteria species present were analysed qualitatively and semi-quantitatively. C. raciborskii was a common species. It was present in 39 of the samples, of which 62 % were new findings. Further, we detected two additional thermophilic Nostocales that have not been reported from Germany before: Anabaena bergii and Aphanizomenon aphanizomenoides. These are the most northerly reports of both species so far. A. bergii occurred in 13 and A. aphanizomenoides in 19 of the 142 water bodies sampled. To elucidate the regulation mechanisms of the population dynamics of C. raciborskii and its abiotic boundaries in the newly invaded habitats furthermore long-term data series (1993 - 2005) of two polymictic shallow lakes in the study area were analyzed. Population sizes largely varied between years without any distinct long-term trend. In the annual course, filaments of the species occurred in the pelagial at temperatures above 15 - 17 °C, i.e. akinetes must have been germinated at temperatures below 15 °C. Population growth started at high rates (1.5 - 2.8 d-1) that declined continuously over the season. Growth rates were not significantly correlated with temperature but they were significantly positive correlated with the mean photosynthetic active radiation in the mixed water column (Imix). At the time population starts growing, Imix has exceeded its annual maximum, and growth rate declines with decreasing Imix. The time of akinete germination is therefore of crucial importance for the success of the population: as earlier akinetes germinate the higher the growth rate will be, resulting in a greater population size, a higher number of akinetes produced, and vice versa. Therefore, we conclude that an earlier increase of the water temperature due to global warming is a major cause for the spreading of C. raciborskii into the temperate zone.

Cylindrospermopsin (CYN) is a potent hepatotoxin produced by different cyanobacteria of the order Nostocales, which is widely distributed in freshwaters and considered a hazard to wildlife and humans. In Europe, only Aphanizomenon flos-aquae is identified as CYN producer so far and the seasonal variability of CYN was not studied yet. Therefore, we studied the seasonal dynamics of the particulate and dissolved CYN concentrations in relation to the cyanobacterial occurrence and environmental factors in two German lakes over two years. Total CYN reached maximum concentrations of 0.34 and 1.80 µg L-1 in Melangsee and Langer See, respectively. In both lakes, the dissolved CYN fraction peaked after the particulate fraction, and reached higher values indicating that CYN is poorly decomposed and accumulates in the water. The cyanobacterial community was very diverse in both lakes, including potentially CYN producing species such as Cylindrospermopsis raciborskii, Anabaena bergii and Aphanizomenon flos-aquae. However, these species could be excluded as the major CYN producers. The stronges significant correlation was found for Aphanizomenon gracile and CYN, strongly indicating that the species is the main CYN producer in Langer See. CYN was also correlated with Planktothrix agardhii in Langer See and Pseudanabaena limnetica in Melangsee, but species of the order scillatoriales are not known to produce CYN. In Melangsee the CYN producer could not be identified. Different correlations of CYN with abiotic factors in the two lakes indicate the presences of further undetected CYN producers as well as different regulation mechanisms of their dynamic and the variability of CYN.

Ziel dieses Projektes ist es, zur Klärung der derzeitigen Verbreitung und Variabilität des toxischen Cyanobakteriums C. raciborskii und des Toxins Cylindrospermopsin (CYN) in Gewässern der Berliner Region beizutragen und eine Grundlage zu schaffen, auf welcher deren weitere Entwicklung und das damit verbundene Risiko für Mensch und Umwelt abgeschätzt werden kann. Die Verbreitung von C. raciborskii und CYN wurde in einem Pre-Screening Programm im Sommer 2004 untersucht. Für 142 Gewässer, die sich hinsichtlich Morphometrie, Trophie und Mixistypus unterscheiden, wurde die Zusammensetzung der Cyanobakterien einmalig qualitativ und semi-quantitativ analysiert sowie der CYN Gehalt des Sestons ermittelt. C. raciborskii wurde in 27,5 % der 142 untersuchten Gewässer nachgewiesen. Ihre relative Häufigkeit wurde überwiegend als vereinzelt (21,1 %) oder häufig (6,3 %) eingeschätzt. Massenentwicklungen der Art traten zum Zeitpunkt der Untersuchung nicht auf. Als typisches Habitat für C. raciborskii wurden flache eutrophe Gewässer mit niedriger Sichttiefe, und geringen Zeu/Zmix Verhältnissen analysiert. Entgegen bisheriger Annahmen ist die Art jedoch nicht auf Flachseen beschränkt, sondern kann auch in tiefen dimiktischen Gewässern Populationen etablieren. Darüber hinaus wurden vier weitere bedeutende Arten ermittelt. Raphidiopsis curvata und R. mediterranea, die in 5 von 142 Gewässern detektiert wurden. Von beiden Arten ist bekannt, dass sie CYN produzieren können. Anabaena bergii wurde vereinzelt bis häufig in 14,1 % der Gewässer nachgewiesen. Für diese Art wurde der gleiche Habitattyp wie für C. raciborskii festgestellt. Aphanizomenon aphanizomenoides wurde vereinzelt bis häufig in 13,4 % der Gewässer nachgewiesen. Bei beiden Arten handelt es sich wie bei C. raciborskii um Neo-Cyanobakterien, die bisher nur aus tropischen bzw. subtropischen Regionen bekannt waren. Beide produzieren toxische Substanzen, die im Fall von A. aphanizomenoides noch nicht näher identifiziert werden konnten. Im Fall von A. bergii handelt es sich bei einem der Toxine um CYN. Zusammenfassend kann für die hier relevanten Arten festgestellt werden, dass sie weiter verbreitet sind als bisher bekannt war. Die Tatsache, dass C. raciborskii bisher in verhältnismäßig wenigen und A. bergii sowie A. aphanizomenoides bisher gar nicht für das Untersuchungsgebiet beschrieben wurden, wird u.a. auf taxonomische Unklarheiten zurückgeführt. Bislang wurden 96 Sestonproben aus 80 Gewässern auf CYN untersucht. In 63 % der Proben, bzw. 61 % der Seen wurde CYN in Konzentrationen zwischen 0,1 und 100 µg/g TG nachgewiesen und ist somit in Deutschland weiter verbreitet als bisher angenommen. Ein erster Vergleich der Cyanobakterienzusammensetzung mit dem CYNVorkommen zeigt, dass CYN in den untersuchten Gewässern nicht nur von C. raciborskii produziert wird, da es auch in Proben gemessen wurde, in denen die Art nicht nachgewiesen wurde. Derzeit werden die beiden oben beschriebenen Arten A. bergi und A. aphanizomenoides als weitere potentielle CYN-Produzenten in Betracht gezogen sowie eine Reihe weiterer Arten der Gattungen Anabaena und Aphanizomenon. Eine entgültige Klärung wird nach Abschluss der chemischen und molekularbiologischen Analysen der isolierten Stämme erwartet.

Three single-filament isolates of Aphanizomenon flos-aquae from two German lakes were found to produce remarkable amounts of the cyanobacterial epatotoxin cylindrospermopsin (CYN). CYN-synthesis of the strains were evidenced both by LC-MS/MS analysis and detection of PCR products of gene fragments which are implicated in the biosynthesis of the toxin. The strains contain CYN in the range of 2.3–6.6 mg gK1 of cellular dry weight. To our knowledge this is the first report of CYN in A. flos-aquae.