Sudden flamingo deaths in Kenyan rift valley lakes.

The East African Rift Valley Lakes Bogoria and Nakuru sometimes host around 75% of the world population of lesser flamingos Phoeniconaias minor. In this area, mysterious flamingo die-offs have occupied researchers for four decades. Recently, cyanobacterial toxins came into the fore as a possible explanation for mass mortalities because the main food source of lesser flamingos is the cyanobacterium Arthrospira fusiformis. We took weekly samples from July 2008 to November 2009 from Lakes Nakuru and Bogoria and analyzed them by high performance liquid chromatography for microcystins. Monthly, samples were cross-checked using protein phosphatase inhibition assays with lower detection limits and additionally screened for polar toxins. During our study period, three flamingo die-offs occurred at L. Bogoria and we were able to analyze tissues of 20 carcasses collected at the shoreline. No cyanotoxins were detected either in plankton samples or in flamingo tissues. Accordingly, other reasons such as food composition or bird diseases played a key role in the observed flamingo die-offs

Phytoplankton communities and cyanotoxin-production in Kenyan water bodies

Arbeitsplätze und proteinreiche Nahrung sind in vielen Landstrichen Kenias Mangelware. Diesen Problemen nahm sich das EU-Projekt BOMOSA an, im Rahmen dessen diese Dissertation verfasst wurde. Mit falt- und transportierbaren Netzkäfigen war es das Ziel, Fischzucht auch in ländliche Gegenden zu bringen. In drei klimatisch unterschiedlichen Regionen Kenias – Machakos, Mount Kenia und Viktoria See – wurden an jeweils drei Gewässern (Ngeki, Ngei, Lukenya; Ruthagati, Mailo, Sagana; Harambe, Damside, Bomet) Holzplots gebaut, die Netzkäfige eingesetzt und mit der Buntbarsch-Art Oreochromis niloticus besetzt. Die Gewässer unterscheiden sich hinsichtlich maximaler Tiefe, Uferbewuchs und Nutzung durch die Bevölkerung. Teilweise werden sie auch als Wasserstelle für Nutztiere verwendet. Die Probennahmen zu der vorliegenden Arbeit fanden monatlich innerhalb eines Jahres statt (zwei Probennahmen mussten aufgrund von Unruhen nach der Wahl 2007/2008 in Kenia entfallen). Zwei Studien der vorliegenden Arbeit beschäftigten sich mit der Artenzusammensetzung von Phytoplankton, strukturierenden abiotischen Faktoren und der potenziellen Gefährdung der Gewässer durch Microcystin-Produktion. Microcystin ist ein zyklisches Heptapeptid, das von einigen Cyanobakterien-Gattungen synthetisiert werden kann; Hauptproduzent und Namensgeber ist das Cyanobakterium Microcystis sp.. Microcystin steht auch seit Längerem im Verdacht, zum Flamingo-Sterben in den Seen Nakuru und Bogoria im Ostafrikanischen Grabenbruch beizutragen, welches von Zeit zu Zeit auftritt. Manchmal beherbergen diese Seen bis zu 75 Prozent der weltweiten Population des Kleinen Flamingos (Phoeniconaias minor) (Vareschi, 1978). Der dritte Teil der Arbeit befasst sich mit dem plötzlichen Flamingo-Sterben an den Ufern der Sodaseen. Dieser Teil wurde im Rahmen des Projekts “Factors controlling abundance of Arthrospira fusiformis” durchgeführt. Die erste Studie beschäftigt sich mit der Phytoplankton-Zusammensetzung und dem Einfluss von abiotischen Faktoren auf Artenmuster der Algen. Auf Basis von Chlorophyll-a- und Total-Phosphor-Daten ergab sich für die Gewässer ein hypertropher Zustand. Einzige Ausnahme war das Reservoir in Sagana, dieses wurde zu Beginn der Probenperiode neu befüllt und zunächst als eutroph eingestuft. Im weiteren Untersuchungsverlauf wechselte aber auch dieses Gewässer zum hyper-eutrophen Zustand. Aufgrund des hohen Nährstoffgehaltes und des Eintrages von Fischausscheidungen und Resten von Fischfutter hatten wir eine Dominanz von Cyanobakterien erwartet, die sich jedoch in den meisten Wasserkörpern nicht einstellte. Ausnahme war der Teich Bomet, der eine hohe Biomasse an Microcystis aufwies. Saisonale Veränderungen zeigten sich insbesondere in der Artenzusammensetzung nach der kurzen Trockenzeit im Februar. Anstelle von Cyanobakterien wurden hohe Abundanzen von Chloro-, Crypto, Dino- und Euglenophyten gefunden. Mit einer Hauptkomponentenanalyse – sie erklärt rund 85 % der Datenvarianz – wurden aus den erhobenen abiotischen Faktoren vier Hauptkomponenten (Ions, Location, Zooplankton, Particulate matter) extrahiert. Basierend auf der Algengemeinschaft konnte mit einem multivariaten Analysemodell gezeigt werden, dass sich die unterschiedlichen Algen-Gemeinschaften der einzelnen Gewässer von mit und ohne Zugangsmöglichkeiten für Nutztiere hinsichtlich der Artenzusammensetzung stark unterscheiden. Diese Gewässer zeigen höhere Abundanzen von Cyanobakterien und Chlorophyta. In der zweiten Studie wurden Toxin-Analysen für die neun Teiche durchgeführt. Während Planktonnetzproben mittels HPLC (High Performance Liquid Chromatography) analysiert wurden, mussten für die integrativen Proben aufgrund der geringen Toxinmengen ELISA Kits (Enzyme Linked ImmunoSorbent Assay) eingesetzt werden. Drei der Teiche enthielten hohe Mengen der hochtoxischen Microcystin-Variante Microcystin-LR (Lukenya, Ruthgati, Mailo). Mit einem Diskriminanz-Modell konnten toxische und nicht-toxische Proben basierend auf Umweltvariablen zu 83 Prozent korrekt zugewiesen werden. Damit kann mittels abiotischer Faktoren, die auch in einfach ausgestatteten Labors analysiert werden können, die Gefahr durch Microcystine abgeschätzt werden. In der dritten Studie wurde untersucht, inwieweit Cyanotoxine für das Flamingo-Sterben in den Seen Nakuru und Bogoria verantwortlich sind. Das Phänomen plötzlich eintretender Massensterben dieser Vögel beschäftigt Wissenschaftler seit Jahrzehnten. Seit Kurzem wird auch Microcystin als potenzieller Grund dafür diskutiert, besonders weil die Hauptnahrungsquelle für den „Kleinen Flamingo“ das Cyanobakterium Arthrospira fusiformis ist und Einzelnachweise toxischer Stämme vorliegen. A. fusiformis dominiert zumeist die Phytoplankton-Gemeinschaft in diesen beiden Seen. Mit HPLC wurden wöchentliche Proben von Juli 2008 bis November 2009 analysiert. Zusätzlich wurden monatliche Stichproben mit Protein-Phosphatase-Inhibitions-Assays und auf polare Toxine analysiert. Während der Dauer des Projekts kam es zu drei Massensterben im Bereich von Lake Bogoria und wir hatten die Möglichkeit, von 20 toten Flamingos Gewebeproben zu entnehmen. Weder in den Planktonproben noch in Proben aus verschiedenen Flamingo-Geweben konnten Cyanotoxine nachgewiesen werden. Für die Flamingo-Sterben während unseres Probenzeitraums können daher Algentoxine ausgeschlossen werden. Studien an den kenianischen Seen werden seit Jahren durchgeführt, kleine Teiche und Reservoirs waren bisher nur in Einzelfällen Thema von Untersuchungen. Es sind aber gerade diese kleinen Gewässer, die der lokalen Bevölkerung als Wasserquelle dienen. Bei kleineren Gewässern zeigen Regenfälle und Nährstoffeinträge schneller Wirkung, weil die Verweildauer gering ist und Umweltänderungen nicht gut abgepuffert werden können. Die vorliegenden Untersuchungen bereichern die Erforschung von afrikanischen Gewässern und liefern zudem wichtige Erkenntnisse über Möglichkeiten der Wassernutzung. Studien dieser Art sind enorm wichtig, weil diese kleinen Gewässer in ländlichen Gegenden für Fischzucht verwendet werden und es zum Auftreten von toxischen Cyanobakterien kommen kann. Diese können über die Nahrungskette in den menschlichen Organismus gelangen. Ein regelmäßiges Monitoring ist daher als sinnvoll zu erachten.This thesis was developed within the framework of the EU-project BOMOSA that focused on problems of food supply for local people of rural areas in Kenya; especially there is a shortage of protein-rich diet. The BOMOSA scientists developed a cheap, robust, foldable and transportable net cage system to introduce fish cage farming to rural areas. In three different climate regions in Kenya – Machakos, Mount Kenya and Lake Victoria –wooden plots were established, net cages were installed and stocked with the cichlid fish Oreochromis niloticus. In each region three waterbodies were investigated (Ngeki, Ngei, Lukenya; Ruthagati, Mailo Dam, Sagana; Harambe, Damside, Bomet). The waterbodies differed in terms of maximum water depth, shoreline vegetation and utilization by the people. Some of the water-bodies were used for watering cattle. Sampling was carried out monthly over a period of one year. Two studies of the current thesis deal with the phytoplankton community and the factors that influence these communities, as well as microcystin production in these ponds. Microcystin is a cyclic heptapeptide, which is synthetized by some cyanobacterial genera and also a threat to people if ingested via the food chain. For some time, microcystin is under suspicion to contribute to sudden flamingo mass mortality at saline-alkaline lakes in the East African Rift Valley. From time to time these lakes host up to 75 percent of the world’s population of the Lesser Flamingo (Phaeniconaias minor) (Vareschi, 1978). The mass mortality threatens the touristic attraction of these regions, what in turn has negative effects on the socio-economy in these regions. The third part of the thesis deals with the potential of microcystin as cause for flamingo mass mortality. This study was carried out in the framework of the FWF-project P-19911 “Factors controlling abundance of Arthrospira fusiformis”. The first study focuses on phytoplankton communities and the influence of abiotic factors on the species-community-pattern. On basis of data on chlorophyll-a and total phosphorous the water bodies were classified hyper-eutrophic with the exception of Sagana (eutrophic), which had been refilled at the beginning of the sampling period. In the further course of the study the status switched also to hyper-eutrophic. Due to high nutrient loads and input by fish droppings and fish feed we expected a dominance of Cyanobacteria. For most water-bodies in this study this expectation was however refuted. Only Bomet showed high amounts of Microcystis spp. . In the other ponds high abundances of Chloro-, Crypto-, Dino-, and Euglenophytes were found. A principal component analysis explaining about 85 percent of the variance of the data, extracted four principal components. Cattle access turned out to be a key factor for the structure of the algal community; it influences underwater light supply via turbidity and also nutrient supply. The second study focused on cyanotoxin occurrence in these nine ponds. Plankton-net samples were analyzed by HPLC (High Performance Liquid Chromatography). For the depth-integrated water samples more sensitive ELISA kits (Enzyme Linked ImmunoSorbent Assay) were used, as toxic content turned out to be too low for HPLC-detection. In three ponds (Lukenya, Ruthagati, Mailo) the highly toxic microcystin variant MC-LR was found by HPLC. With ELISA kits only one pond could be considered toxin-free (Harambe). Some ponds are toxin-free on some occasions. Based on the results of the ELISA measurements two groups were defined: toxin-free and toxin-containing. For discriminating these groups, abiotic factors, bacterial and zooplankton numbers were used. The discriminant model classified 80 percent of the samples correctly with only total phosphorus and nitrite as significant variables. These parameters can easily be obtained by simple means. In the third study potential causes for the flamingo die-offs in the Lakes Nakuru and Bogoria were discussed. Mass mortality of flamingos has been occupying scientists since decades. Recently, also Microcystin came into play as a potential reason for the die-offs, especially because the main diet of the Lesser flamingo is the cyanobacterium Athrospira fusiformis, that is often dominating the phytoplankton community in saline-alkaline lakes. There already exist reports mentioning toxic strains of this taxon. By means of HPLC, weekly samples of Lake Nakuru and Lake Bogoria had been analyzed from July 2008 to November 2009. Additionally, monthly spot samples were analyzed for polar toxins and using PPIA (Protein-Phosphatase-Inhibitions-Assay). During the sampling period three mass-die-offs occurred at Lake Bogoria. We had the opportunity to take samples from 20 dead flamingos. Neither in plankton samples nor in samples from Flamingo tissue cyanotoxins were detected. Factors other than cyanotoxins must be considered for triggering mortalities during our sampling period, such as starvation and/or bird diseases. Studies on Kenyan lakes are conducted for years, but small ponds had been largely neglected. It is however small reservoirs and ponds that are highly implemented in the daily life of local people, which makes the current study not only interesting for basic research, but also for practical aspects. Small ponds respond much faster to rainfall and nutrient input, because the retention time is low thus buffering against environmental changes minimized. Studies of this kind and monitoring programs are an urgent need for such waterbodies because they are heavily used for various purposes