KI und Drohnen sollen vor gefährlichen Vibrionen an der Ostsee warnen

Gefährliche Vibrionen in der Ostsee könnten künftig deutlich früher erkannt werden. Forschende des Leibniz-Instituts für Ostseeforschung Warnemünde (IOW) haben erstmals ein Verfahren entwickelt, das das Auftreten des Bakteriums Vibrio vulnificus mithilfe Künstlicher Intelligenz (KI) bis zu fünf Wochen im Voraus vorhersagen kann. Die Ergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift „Water Research“ veröffentlicht.

Vibrionen gehören natürlicherweise zu den Bakteriengemeinschaften in Meeren und Küstengewässern. Einige Arten können jedoch Krankheiten auslösen. Besonders Vibrio vulnificus gilt als problematisch: Der Erreger kann bereits über kleinste Hautverletzungen in den Körper gelangen und in seltenen Fällen schwere Infektionen oder sogar eine Blutvergiftung verursachen. Gefährdet sind vor allem ältere Menschen sowie Personen mit geschwächtem Immunsystem.

Da steigende Wassertemperaturen die Vermehrung der Bakterien fördern, zählt die Ostsee inzwischen zu den europäischen Regionen mit erhöhtem Vibrionen-Risiko.

Tausende Messungen liefern wichtige Frühwarnsignale

Für ihre Studie untersuchte das IOW-Forschungsteam zwischen April 2022 und Mai 2023 insgesamt 15 Messstationen entlang der Ostseeküste und der Warnow-Mündung im Raum Rostock. Zweimal wöchentlich wurden Wasserproben entnommen und mit modernen mikrobiologischen Methoden analysiert.

Zusätzlich flossen Umwelt- und Wetterdaten sowie Satelliteninformationen in die Untersuchung ein. Erfasst wurden unter anderem Wassertemperatur, Salzgehalt, Nährstoffe, Chlorophyllwerte und Strömungsverhältnisse.

Mehr als 1.500 Wasserproben zeigten ein deutliches Muster: Das Bakterium trat vor allem zwischen Ende Juni und Anfang September auf. Besonders günstige Bedingungen fanden die Forschenden bei Wassertemperaturen über 18 Grad Celsius und Salzgehalten zwischen zwölf und 18 Promille – typische Sommerbedingungen in der südlichen Ostsee.

Entscheidend war jedoch die hohe zeitliche und räumliche Auflösung der Daten. Dadurch konnten die Forscher erkennen, dass sich das Auftreten von Vibrio vulnificus bereits Wochen vorher durch Veränderungen in den mikrobiellen Lebensgemeinschaften ankündigt. „Wir konnten zeigen, dass sich das Auftreten der potenziell gefährlichen Vibrionen durch charakteristische ökologische Veränderungen frühzeitig ankündigt“, erklärt Erstautor Conor Christopher Glackin, der am IOW zu diesem Thema promoviert.

KI erkennt Muster und erstellt Prognosen

Auf Basis dieser biologischen Vorläufersignale trainierte das Team verschiedene KI-Modelle. Ziel war es, vorherzusagen, ob und wann Vibrionen an einem bestimmten Standort auftreten.

Die Ergebnisse überraschten selbst die Forschenden: Die besten Modelle lieferten zuverlässige Vorhersagen bis zu vier beziehungsweise fünf Wochen im Voraus. Besonders treffsicher waren jene Systeme, die neben Umweltparametern auch Veränderungen in den mikrobiellen Gemeinschaften berücksichtigten.

Auch frei verfügbare Satellitendaten erwiesen sich als wertvolle Informationsquelle für künftige Warnsysteme. Die Analysen deuten darauf hin, dass insbesondere die Zeit nach größeren Algenblüten für die Entwicklung von Vibrionen günstig ist. Beim Abbau des Phytoplanktons werden organische Stoffe freigesetzt, die den Bakterien als Nahrungsgrundlage dienen. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass sich mikrobiologische Prozesse in Küstengewässern deutlich besser vorhersagen lassen als bislang angenommen“, sagt Studienleiter Matthias Labrenz vom IOW. „Damit rückt ein praktikables Frühwarnsystem für Gesundheitsbehörden und Badeorte erstmals in greifbare Nähe.“

Drohnen testen lokales Warnsystem am Warnemünder Strand

Die Forschungsergebnisse sollen nun direkt in die Praxis umgesetzt werden. Seit April erprobt das IOW ein KI-gestütztes Drohnen-Messprogramm zur lokalen Bewertung von Vibrionen-Risiken an den Küsten Mecklenburg-Vorpommerns.

Unter Leitung des Umweltmikrobiologen Daniel Herlemann erfassen Drohnen vor dem Warnemünder Strand hochaufgelöste Daten zu Wassertemperatur, Strömungen, Salzgehalt und Blaualgenvorkommen im Bereich des Badestreifens. Die Informationen werden automatisch an einen Server übertragen und dort mithilfe von KI ausgewertet.

Ziel ist ein lokaler Vibrionen-Umweltindex mit Ampelsystem, der bereits wenige Minuten nach einem Drohnenflug eine aktuelle Risikoeinschätzung für einzelne Strandabschnitte liefern kann.

Das Projekt „KIVib-Küste“ (kurz für „Digitalisierte und KI-gesteuerte Vibrio Bewertung von Küstengewässern“) soll langfristig dazu beitragen, allgemeine Warnungen durch präzise und standortbezogene Einschätzungen zu ersetzen.

Angesichts des Klimawandels gewinnt das Thema zunehmend an Bedeutung. Wärmere Sommer verlängern die Vibrionen-Saison, während gleichzeitig die Zahl besonders gefährdeter Menschen steigt. Für die stark touristisch geprägte Ostseeküste könnte ein zuverlässiges Frühwarnsystem daher nicht nur einen wichtigen Beitrag zum Gesundheitsschutz leisten, sondern auch für mehr Sicherheit und Transparenz bei Badegästen sorgen.