KI-Leuchttürme für Umwelt, Klima, Natur und Ressourcen

Die Ausgangssituation: Was ist die ökologische Herausforderung?

Zentraler Baustein zur Beurteilung des Zustandes maritimer Ökosysteme ist das Phytoplankton – mikroskopisch kleine Algen, die als Grundlage des marinen Nahrungsnetzes fungieren und durch Photosynthese eine wichtige Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf spielen. Sie können also maßgeblich zur Bindung von CO₂ und damit zur Klimaregulation beitragen. Daher spielt die genaue Erfassung von Phytoplankton eine große Rolle im Meeresschutz.
Aktuell wird die Biomasse und Artenvielfalt von Phytoplankton in der Ostsee jedoch mit sehr aufwendigen und teuren Methoden bestimmt – etwa durch Fluoreszenzmessungen, HPLC-Analysen (Hochleistungsflüssigkeitschromatographie) und klassischer Lichtmikroskopie. Vor allem die taxonomische Bestimmung erfordert spezialisierte Expertise und ist schwer standardisierbar. Sehr kleine Algenarten, die dennoch bedeutende Teile der Primärproduktion übernehmen, lassen sich mit herkömmlicher Mikroskopie zudem nur schwer erfassen.

Die Idee: Welchen Beitrag kann KI konkret leisten?

Im Projekt wird ein KI-gestütztes kosteneffizientes Monitoring zur automatisierten und hochaufgelösten Überwachung des Phytoplanktons in der küstennahen deutschen Ostsee entwickelt. Ziel ist eine belastbare Echtzeit-Bewertung des ökologischen Zustands sowie eine Quantifizierung der CO₂-Senkenfunktion mariner Mikroalgen.
Das Monitoring-System kombiniert mehrere technische Ansätze: Sensorgestützte Verfahren messen Phytoplankton-Biomasse in hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung. Gleichzeitig wird die Konzentration der Treibhausgase CO₂ und Methan kontinuierlich erfasst. Kameratechnologie ermöglicht mit hoher Genauigkeit die automatisierte Erkennung und Unterscheidung einzelner Phytoplanktonarten. Satellitengestützte Fernerkundung bietet einen großräumigen Überblick über die Entwicklung der Phytoplanktonbiomasse. Veränderungen der sogenannten „Ozeanfarbe“ – verursacht durch gelöste und partikuläre Substanzen wie Sedimente oder organisches Material – werden ebenfalls erfasst. KI-Anwendungen analysieren und verknüpfen die gewonnenen Daten, erkennen Zusammenhänge, quantifizieren etablierte Umweltindikatoren und können sogar neue Indikatoren für die Bewertung des ökologischen Zustands ableiten.
Im Rahmen des Projekts entstehen vier konkrete KI-gestützte Werkzeuge: Eine autonome Monitoringbox, die kontinuierlich Umwelt- und Treibhausgasdaten erhebt. Ein KI-gestütztes Bilderkennungstool, das Mikroalgen automatisiert klassifiziert. Verbesserte Satelliten-Algorithmen zur großflächigen Erfassung von Phytoplankton. Und ein Visualisierungstool, das wissenschaftliche Daten durch die intelligente Auswertung heterogener Datenquellen allgemeinverständlich aufbereitet.
Das Projekt KIMMCO richtet sich an verschiedene Zielgruppen, darunter die Fachöffentlichkeit aus Meeres-, Umwelt- und Datenwissenschaft, Behörden auf Landes- und Bundesebene, politische Entscheidungsträger sowie die interessierte Öffentlichkeit.  Anwendungsbereiche des Projekts liegen in der Umweltüberwachung, dem Biodiversitätsschutz, der Weiterentwicklung offizieller Umweltindikatoren und damit einer datenbasierten Unterstützung von Monitoring und Entscheidungsprozessen in der Forschung, Umweltbehörden und Politik. 

Der Ausblick: Welchen Leuchtturmcharakter hat das Projekt?

Das System wird zunächst in der Ostsee getestet, ist aber prinzipiell auch in anderen Meeresregionen, tiefen Seen oder Aquakulturen einsetzbar. Das Projekt leistet somit einen Beitrag zur globalen Verbesserung der Datenlage zu Planktonbiodiversität und Klimarelevanz aquatischer Ökosysteme, in dem Daten aus Plattformen wie MDI-DE, marine-data.de, NFDI4Biodiversity und pangaea.de interpretiert und verknüpft werden. 
KIMMCO trägt außerdem zur Weiterentwicklung offizieller Umweltindikatoren bei, wie sie z. B. in der Wasserrahmenrichtlinie (WRRL), der Meeresstrategie-Rahmenrichtlinie (MSRL) und durch HELCOM verwendet werden. Der Fokus liegt dabei auf dem ökologischen Zustand von Übergangs- und Küstengewässern sowie auf dem Schutz der biologischen Vielfalt.
Zum Projektstart werden zudem ein „Biodiversitäts-Check“ sowie ein „Nachhaltigkeits-Check“ durchgeführt: Dabei wird geprüft, wie die neu entwickelten Methoden im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren in Bezug auf Genauigkeit, Ressourceneinsatz und CO₂-Bilanz abschneiden.