Eutrophierung Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 1 2. Wasser 2 2.1. Wassergüte 2 2.2. Eutrophierung durch Phosphate und Nitrate 3 3. Eutrophierung stehender Gewässer 5 3.1. Das natürliche Ökosystem im See 5 3.2. Veränderung des Nährstoffhaushalts bis zur Hypertrophierung 5 3.3. Der Nährstoffkreislauf im Detail 7 3.3.1. Die Bedeutung der Sprungschicht 7 3.3.2. Die Aerobe Zersetzung organischer Stoffe 7 3.3.3. Die Anaerobe Zersetzung organischer Stoffe 8 3.4. Jahreszeitlich bedingte Veränderungen im See 10 3.4.1. Sommerstagnation 10 3.4.2. Winterstagnation 10 3.4.3. Frühjahrs- & Herbstzirkulation 11 3.5. Folgen der Eutrophierung am Beispiel des Bodensees 12 3.6. Rettung für "umgekippte" Seen 13 4. Eutrophierung von Fliessgewässern 14 4.1. Selbstreinigungskraft der Flüsse 14 5. Schlußwort 16 Endnoten I Bibliographie II Index III 1. Einleitung Dieses Referat soll einen Überblick über die Vorgänge vermitteln, die in unseren Gewässern durch einen übermäßigen Nährstoffeintrag aus der Landwirtschaft und Haushaltsabwässern ablaufen. Dabei liegt der Schwerpunkt bei den chemischen Prozessen, die in stehenden Gewässern anzutreffen sind. 2. Wasser Wasser ist in unserer Zeit nicht mehr gleich Wasser. Inzwischen geht es darum, was drin ist und da läßt sich bei unseren Gewässern einiges Aufzählen, was eigentlich nicht hineingehören sollte. Dabei soll es hier aber nur um einige natürliche Substanzen gehen. 2.1. Wassergüte Zur Beurteilung der Wassergüte lassen sich mehrere biotische und abiotische Faktoren heranziehen. Besonders aufschlußreich ist dabei die Betrachtung des Bakteriengehalts und des chemischen und biochemischen Sauerstoffbedarfs (CSB/BSB) 1 . Um die Wassergüte bestimmen zu können, reicht es jedoch nicht aus, nur abiotische Faktoren zu betrachten. Sie ergibt sich aus dem Zusammenspiel aller Faktoren. Deshalb liegt es nahe, das Wasser nach den darin vorkommenden Lebewesen zu beurteilen. Aus diesem Grund benutzt man zur Einordnung vier Stufen der Gewässerbelastung mit den dafür typischen Lebewesen: · Die oligosaprobe Stufe = Gewässergüteklasse I Hier stehen die Auf- und Abbauvorgänge im gegenseitigen Gleichgewicht. Solche Bedingungen findet man inzwischen nur noch in stickstoff- und phosphorarmen Klarseen, Talsperren und Gebirgsbächen vor. Dort kommen bestimmte Grün- und Kieselalgen, Wasserfarn und Tausendblatt vor. Die tierischen Vertreter dieser Gebiete sind Strudelwürmer, Rädertierchen und Insektenlarven. · Die beta-mesosaprobe Stufe = Wassergüteklasse II Sie repräsentiert die mäßig belasteten Gewässer, in denen der Sauerstoffhaushalt weitgehend ausgeglichen ist. Da aber schon hier mehr organisches Material produziert wird, als abgebaut werden kann, ist meistens schon eine dünne Schlammschicht zu finden. Typisch für diese Klasse sind Schilfrohr, Seerosen, Laichkraut, Schnecken Muscheln und Kleinkrebse. · Die alpha-mesosaprobe Stufe = Wassergüteklasse III Das Wasser dieser Regionen gilt als stark verschmutzt, was sich schon durch die Massenentwicklung von Algen und der damit verbundenen Wasserblüte erkennen läßt. Charakteristisch für diese Wasserklasse sind Blau-, Kiesel- und Grünalgen auf der pflanzlichen Seite und wenige Arten von Schecken, Muscheln und Krebsen auf der tierischen Seite. Außerdem findet man hier den echten Abwasserpilz (Leptomitus lacteus), der als weißgraue Masse die Steine überzieht. · Die Polysaprobe Stufe = Wassergüteklasse IV Das Wasser dieser Klasse gilt als übermäßig verschmutzt, was sich dadurch äußert, daß nur noch sehr wenige verschiedene Arten mit dafür aber übermäßig hohen Individuenzahlen vorkommen. Typisch für solche Gewässer sind große Bakterienkolonien, die als schleimige Überzüge besonders an den Uferrändern zu finden sind. Ansonsten leben dort vorwiegend Zuckmückenlarven, Schlammröhrenwürmer und Rattenschwanzlarven, die besonders gut an das sehr sauerstoffarme Wasser angepaßt sind. 2 Am Boden des Gewässers findet man häufig dicke Schichten von Faulschlamm, die ein Indiz für die überwiegend reduzierend ablaufenden Abbauprozesse sind. 2.2. Eutrophierung durch Phosphate und Nitrate Phosphate und Nitrate sind Salze der Phosphor- beziehungsweise der Salpetersäure. Gelangen sie in Wasser gelöst an Pflanzen, so bewirken diese Stoffe eine starke Wachstumssteigerung. In der Landwirtschaft macht man sich diese Eigenschaft zu Nutze, indem man stickstoff- oder phosphorhaltigen Dünger zur Ertragssteigerung auf die Felder bringt. Dabei ist aber Vorsicht geboten, da der Bedarf an diesen Nährstoffen nur gering ist und der übermäßige Gebrauch dieser Dünger eine überdüngung zur Folge hat. Besonders leicht kann dieser Effekt bei der Verwendung von Gülle zur Düngung auftreten, da sie Nährstoffe in extrem hohen Konzentrationen enthält. Der Großteil dieser Stoffe wird dann nicht von den Pflanzen aufgenommen, sondern vom Regen weggeschwämmt und gelangt mit dem Umweg über Drainagesysteme in unsere Gewässer. Dort führt die Nährstoffflut dann zu Überdüngung des Wassers, der Eutrophierung. Der gleiche Effekt entsteht durch die Verwendung phosphathaltiger Waschmittel, die dann durch den Abfluß letztendlich auch unsere Gewässer erreichen. Zuvor durchlaufen die Haushaltsabwässer jedoch noch die Reinigungsstufen der Klärwerke, in denen ein Teil der Phosphate herausgefiltert wird. Gegen Nitrate kann man in Klärwerken aber nichts ausrichten, da sie nicht von Aktivkohle 3 gebunden werden und sich auch nicht durch andere Maßnahmen herausfiltern lassen. Abgesehen von den Folgen, die diese Stoffe für den Nährstoffhaushalt der Gewässer haben, ergeben sich bestimmte Auswirkungen auf den menschlichen Organismus, wenn die Substanzen über die Nahrungskette in den Körper gelangen. Bei Nitraten kann es beispielsweise vorkommen, daß bestimmte Gemüsesorten mehr davon aufnehmen, als sie benötigen. Unter bestimmten Bedingungen können sich dann durch eine mikrobielle Umsetzung von Nitraten, die für Menschen giftigen Nitrite bilden. Bei Säuglingen können diese Nitrite Blausucht hervorrufen, wodurch der Sauerstofftransport des Blutes gestört wird. Außerdem reagieren Nitrite und Amine in Verbindung mit Magensäure zu krebserregenden Nitrosaminen. Aus diesem Grund gibt es für die Trinkwasserversorgung bestimmte Richtwerte, die nicht überschritten werden dürfen. Beim Festlegen dieser Grenzwerte wurde aber besonders darauf geachtet, daß der Großteil der Wasserwerke sie auch einhalten konnte, damit nicht zusätzliche Reinigungsstufen notwendig wurden. Diese nach oben hin abgerundeten Richtwerte liegen mit beispielsweise 50 Milligramm Nitrat pro Liter weit über den gesundheitlich sinnvollen Werten. In den Quellregionen unbelasteter Fließgewässer findet man Werte von etwa 1 Milligramm Nitrat und 50 Mikrogramm Phosphat 4 pro Liter Wasser. 5 3. Eutrophierung stehender Gewässer Stehende Gewässer sind besonders stark von der Eutrophierung betroffen, da sie aufgrund der geringen Wasserbewegung kaum die Möglichkeit haben, sich nach Abwassereinleitungen selbst zu regenerieren. Schon relativ geringe Megen an Abwässern, beispielsweise Düngemittel, die durch Drainageleitungen in einen See gelangen, können dessen gesamtes Ökosystem verändern. 3.1. Das natürliche Ökosystem im See In einem intakten See findet man einen normalen Nährstoffkreislauf zwischen Produzenten, Konsumenten und Destruenten vor: Die im Wasser vorhandenen Nährstoffe nutzt das Phyto-Plankton 6 , um sich mittels Photosythese im oberen lichtdurchfluteten Bereich des Sees 7 zu vermehren. Sie sind die Produzenten, von denen sich die Kosumenten erster Ordnung, das Zoo-Plankton, ernähren. Die Fische, die die Gruppe der Konsumenten zweiter Ordnung bilden, ernähren sich wiederum vom Zoo-Plankton. Ausscheidungen und abgestorbene Organismen sammeln sich am Boden des Sees und werden von Bakterien und Pilzen, den Destruenten, zersetzt und gelangen als im Wasser gelöste Nährstoffe wieder zu den Produzenten. Ein solches Gewässer mit natürlichem, relativ geringem Nährstoffangebot, wird als oligotroph bezeichnet. 3.2. Veränderung des Nährstoffhaushalts bis zur Hypertrophierung Werden in ein stehendes Gewässer organische Abwässer eingeleitet, so sinken sie zu Boden und werden dort von den Destruenten mineralisiert. Solange genug Sauerstoff am Boden des Sees vorhanden ist, geschieht dies durch eine Oxidation der Ausgangsstoffe. Die entstandenen Nährstoffe, hauptsächlich Phosphat- und Nitratverbindungen, gelangen dann zum Phyto-Plankton, daß sich daraufhin schlagartig vermehren kann. Ein solches Überangebot an Nährstoffen äußert sich als Wasserblüte an der Oberfläche des Sees. Davon profitieren wiederum die Konsumenten. Nach einiger Zeit stirbt ein großer Teil dieser Algen ab und sinkt zu Boden, wo er erneut zersetzt wird. Durch eine kontinuierliche Abwassereinleitung wird nun die Menge an Nährstoffen und damit auch die Menge an abgestorbenem Pflanzenmaterial ständig größer. Proportional dazu steigt aber auch der Bedarf an Sauerstoff, um das organische Material zersetzen zu können. Dies macht sich durch einen sinkenden Sauerstoffgehalt in den tieferen Wasserschichten bemerkbar. 3.3. Der Nährstoffkreislauf im Detail Nach dem Überblick über die grundsätzlichen Vorgänge bei der Eutrophierung eines Sees soll in diesem Abschnitt auf einige wichtige chemische Details eingegangen werden. 3.3.1. Die Bedeutung der Sprungschicht Während der Sommermonate bildet sich aufgrund der Dichteanomalie des Wassers in tieferen Seen eine sogenannte Sprungschicht 8 aus. Das heißt, daß sich das dichtere und damit schwerere, vier Grad Celsius warme Wasser am Boden des Sees sammelt. An der Oberfläche wird das Wasser dagegen durch die Sonneneinstrahlung erwärmt. Durch Winde wird dieses Oberflächenwasser mit den darunterliegenden Wasserschichten durchmischt. Da dieses Wasser aber leichter ist, als das 4°C warme, das sich am Boden befindet, beschränkt sich diese Durchmischung auf eine Tiefe von etwa 15 Metern. Dort bildet sich nun eine Sprungschicht zwischen warmem und kaltem Wasser aus, was dazu führt, daß die Wassertemperatur innerhalb von zwei Metern um rund fünf Grad sinken kann und sich bei 4°C einpendelt. Das Gleiche gilt auch für den Sauerstoffgehalt, da unterhalb der Sprungschicht keine Photosynthese stattfindet und das Wasser nur oberhalb der Sprungschicht zirkuliert. Diese Trennung des Sees in zwei Teile beschränkt sich aber nicht nur auf Temperatur und Sauerstoffgehalt, sondern auf sämtliche Stoffe, die normalerweise zwischen dem oberen und dem unteren Teil des Sees ausgetauscht werden. 3.3.2. Die Aerobe Zersetzung organischer Stoffe Die nach der Autolyse 9 noch verbleibenden Reste abgestorbener Organismen werden in einem intakten See überwiegend durch aerobe Bakterien zersetzt. Bei dieser Mineralisierung werden Fette, Kohlenhydrate und Eiweißstoffe in anorganische Verbindungen zerlegt. Dabei werden die verschiedenen Stoffe von unterschiedlichen Bakterien umgesetzt, die durch diesen Prozess Energie gewinnen. Das bei der Eiweißzersetzung freiwerdende Ammonium 10 wird von Nitrit-Bakterien zu Nitrit 11 weiterverarbeitet. Danach kann das entstandene Nitrit von Nitrat-Bakterien durch eine weitere Oxidation zu Nitrat 12 umgebildet werden. Außer Nitrat werden auch Phosphate 13 , Sulfate 14 und Kohlenstofdioxid freigesetzt. Diese Stoffe gelangen dann während der Frühjahrs- und Herbstmonate 15 mit dem Wasser wieder zu den Pflanzen und dienen ihnen als Nahrung. Überschüssige Phosphate können auch mit Eisen-III-Ionen zu unlöslichem Eisen-III-phosphat reagieren, das von den Sedimentteilchen absorbiert wird und sich somit auf dem Grund des Sees ablagert. Dadurch sinkt wiederum der Nährstoffgehalt des Gewässers. Ähnliche Abläufe sind auch bei anderen Stoffen möglich. Die Grundvoraussetzung ist aber, daß der Sauerstoffgehalt des Wassers ausreichend groß ist, da alle hier beschriebenen Prozesse mit Oxidationen verbunden sind. 3.3.3. Die Anaerobe Zersetzung organischer Stoffe Betrachtet man dagegen die chemischen Abläufe in einem stark eutrophen Gewässer, so zeichnet sich ein völlig anderes Bild ab: Durch den sehr hohen Nährstoffgehalt im See wird das Pflanzenwachstum enorm gesteigert, da besonders Phosphate und Nitrate, die normalerweise wachstumsbegrenzende Faktoren sind, in großen Mengen vorhanden sind. Andererseits führt ein übermäßiger Pflanzenwuchs dazu, daß der Boden des Sees unter einer Schicht von abgestorbenem organischem Material begraben wird. Der Bedarf an Sauerstoff zur aeroben Zersetzung liegt dann weit über dem Sauerstoffgehalt des Wassers (zumindest in Bodennähe, wo diese Prozesse ablaufen). Das führt dazu, daß mit der Zeit fast die gesamten Zersetzungvorgänge von anaeroben Bakterien übernommen werden. Diese liefern aber andere, meistens toxische Endprodukte, die schon nach kurzer Zeit die Biozönose des Profundals 16 umbilden und zerstören. Duch den Sauerstoffmangel ändert sich der gesamte Stoffumsetzungs-Kreislauf. An Stelle der normalerweise entstehenden Stoffe wie Phosphat, Nitrat, Sulfat und Kohlenstoffdioxid werden jetzt Dihydrogenphosphat 17 , Ammoniak 18 , Schwefelwasserstoff 19 , Methan und Kohlenstoffdioxid produziert. Davon sind Ammoiak, Methan und Schwefelwasserstoff Gifte, die sich besonders auf Lebewesen des Hypolimnions auswirken. Fische, die in diesem Bereich des Sees leben, haben zwar durch die Eutrophierung ein sehr gutes Nährstoffangebot, gehen aber letztendlich an Sauerstoffmangel und den toxischen Verbindungen des anaeroben Abbaus zugrunde. Außerdem lassen sich diese Abbauprodukte nicht an die Bodensedimente anlagern, da jetzt statt Eisen-III-Phosphat wasserlösliche Eisen-II-Ionen gebildet werden. Übersteigt die Sauerstoffzehrung die Sauerstoffproduktion, so "kippt der See um". Die Folge ist die Hypertrophierung und damit eine Zerstörung des gesamten Ökosystems im See, was besonders durch Fischsterben deutlich wird. Eine Entspannung dieser Situation ergibt sich mit der Durchmischung des Wasser während der Frühjahrs- und Herbstzirkulation, da dabei das Tiefenwasser an die Oberfläche gebracht und mit Sauerstoff angereichert wird. Die Kehrseite davon ist aber der Transport der Nährstoffe vom Hypolimnion ins Epilimnion, der wiederum die Eutrophierung verstärkt. Das Bild rechts zeigt die Menge und Verteilung der Abbauprodukte, die im Sommer in einem mittelmäßig eutrophen See vorhanden sind 20 . Oberhalb der Sprungschicht läßt sich eine normale Verteilung von Sauerstoff und Kohlendioxid erkennen. Dabei wird der Sauerstoff vom Phyto-Plankton produziert oder stammt aus der Luft. Da Kohlendioxid von den Pflanzen zur Photosynthese benötigt wird, ist der Gehalt an der Oberfläche entsprechend gering (an der Oberfläche ist am meisten Licht => hohe O 2 -Abgabe und hohe CO 2 -Aufnahme). Die gleichmäßige Nitratkonzentration im oberen Bereich stammt noch aus der Frühjahrsperiode, in der die Zersetzungsprozesse aerob abliefen. Inzwischen sind aber hauptsächlich anaerobe Bakterien für die Zersetzung zuständig, da der Sauerstoffgehalt im Bereich des Profundals wieder sehr gering ist. Die dort gemessene Konzentration an Ammonium deutet darauf hin, daß sehr viel organisches Material zur Zersetzung bereitsteht, aber von den anaeroben Bakterien nicht so schnell verarbeitet werden kann. Besonders deutlich ist, daß das Dihydrogenphosphat und der Schwefelwasserstoff Abbauprodukte sind, die am Boden des Sees entstehen (ihre Konzentration nimmt nach oben hin ab). 3.4. Jahreszeitlich bedingte Veränderungen im See Das Ökosystem eines stehenden Gewässers wird vergleichsweise stark durch klimatische Vorgänge beeinflußt, da kein Wasseraustausch stattfindet und kaum Strömungen vorhanden sind. Somit ist das Klima der einzige natürliche Faktor, der Auswirkungen auf die Wasserbewegungen in einem See hat. Je nach Jahreszeit ergibt sich daraus eine entsprechende Durchmischung des Wassers. 21 3.4.1. Sommerstagnation Unter der Sommerstagnation versteht man eine fehlende Wasserzirkulation im unteren Bereich des Sees. Dies hängt mit der Sprungschicht zusammen, die sich im Sommer zwischen dem vier Grad Celsius kalten Wasser in der unteren Hälfte des Sees und dem wärmeren Wasser darüber bildet. Es schichtet sich also je nach "Gewicht" übereinander. Bedingt durch Winde und Temperaturschwankungen zirkuliert das Wasser im Epilimnion. Im Hypolimnion findet dagegen keinerlei Durchmischung statt, was besonders starke Auswirkungen auf den Sauerstoffgehalt hat, da den ganzen Sommer über kein neuer Sauerstoff hinzukommt. In stark eutrophen Gewässern hat das zur Folge, daß der Sauerstoffgehalt sehr schnell abnimmt und anaerobe Zersetzungsprozesse beginnen. 3.4.2. Winterstagnation Im Winter bildet sich keine Sprungschicht aus, da die Wassertemperatur am Grund des Sees meistens noch leicht über der Außentemperatur liegt. Der Grund dafür ist einerseits die Dichteanomalie, die bewirkt, daß sich das Wasser je kälter es ist, weiter zur Oberfläche hin bewegt.Andererseits verhindert die sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit des Wassers, daß auch das Tiefenwasser des Sees die Temperatur der Oberfläche annimmt. Die eigentliche Stagnation kommt erst zustande, wenn die Oberfläche komplett zufriert. Die geschlossene Eisschicht verhindert dann, daß Winde das Wasser durchmischen. Die Folge ist eine geringe Sauerstoffkonzentration im gesamten See, da nur sehr wenig Photosynthese betrieben werden kann und alle im See lebenden Organismen am Sauerstoffvorrat zehren. In eutrophen Gewässern können sich jetzt die toxischen Abfallprodukte der anaeroben Zersetzung auf die Lebewesen im gesamten See auswirken, denn es ist keine Sprungschicht vorhanden, die das Epilimnion vom Hypolimnion trennt. 3.4.3. Frühjahrs- & Herbstzirkulation Im Gegensatz zur Situation während der Sommer- und Wintermonate ist im Frühjahr und im Herbst keine Eis- oder Sprungschicht vorhanden, die eine Zirkulation des Wasser im gesamten See verhindern würde. Die während dieser Zeit besonders starken Winde führen also zu einer gesamten Durchmischung und damit auch zu einer Sauerstoffanreicherung des Wassers. Die Anhebung des Sauerstoffgehalts ist besonders bei eutrophen Seen sehr wichtig, damit die Zersetzungsprozesse am Boden wieder aerob ablaufen können.Außerdem wird mit den Wasserbewegungen ein Teil der darin gelösten Zersetzungsgase freigesetzt. Im Einzelnen kommt die Vermischung einerseits dadurch zustande, daß das Wasser durch den Wind in Richtung der Uferzonen bewegt wird und durch den Druck in tiefere Wasserschichten abtaucht. Auf der gegenüberliegenden Seite strömt dann Wasser aus der Tiefe nach. Andererseits kommt eine leichte Vermischung auch dadurch zustande, daß sich das Wasser nach einer Erwärmung oder Abkühlung, von der Oberfläche weg, in eine andere Tiefe verlagert. So entsteht eine Strömung, die zum Austausch von Wasserschichten führt. 22 3.5. Folgen der Eutrophierung am Beispiel des Bodensees Grundsätzlich gibt es zwei See-Typen, die charakteristisch für oligotrophe, beziehungsweise eutrophe Seen sind: Oligotrophe Seen haben oft schmale, steil abfallende Uferzonen und ein großes Volumen. Eutrophe Seen sind dagegen meistens flach und besitzen eine breite Uferzone. In ihnen haben schon geringe Nährstoffeinträge starke Auswirkungen, da sie nicht vom Volumen kompensiert werden können. Ein Beispiel für beide See-Typen ist der Bodensee, da er aus dem Untersee und dem eigentlichen (großen) Bodensee besteht. Die beiden Teil-Seen sind nur durch einen schmalen Übergang miteinander verbunden und bilden jeder für sich ein eigenes Ökosystem. Als vor eingen Jahrzehnten die Menge eingeleiteter Abwässer in beide Teile des Sees größer wurde, hatte das offenbar nur positive Folgen. Die ursprünglich oligotrophen Seen bekamen dadurch zusätzliche Nährstoffe, die das Phyto-Plankton wachsen ließen. Außer diesen Wasserpflanzen wuchsen natürlich auch die Fische schneller heran, da sie dort paradiesische Nahrungsverhältnisse vorfanden. Die Bodensee-Fischer freuten sich wiederum über die enorm gestiegenen Fangquoten und fischten so viel wie möglich. Dabei ist das Felchen 23 einer der besonders bevorzugten Fische. Nach den großen Fangerfolgen weniger Jahre blieben weitere Fänge plötzlich aus. Es dauerte einige Zeit, bis man den Grund für das plötzlich Verschwinden der Felchen gefunden hatte: Durch die guten Nahrungsverhältnisse wuchsen die Fische sehr schnell heran, so daß sie schon nach einem Bruchteil der sonst dafür benötigten Zeit die Körpergröße der geschlechtsreifen Tiere erreicht hatten. Die Fischer verwendeten aber Netze, die genau auf die Größe der Ausgewachsenen Felchen abgestimmt waren, so daß die Jungtiere im See blieben. Letzendlich tat man aber genau das, was man verhindern wollte, indem man auch die noch nicht geschlechtsreifen Fische aus dem See herausfischte und damit die gesamte Generation der Nachkommen ausrottete. Im Gegensatz zu den falschen Fangmethoden läßt sich aber die Eutrophierung nicht so leich rückgängig machen. Der Untersee ist davon besonders betroffen, da er wesentlich kleiner und flacher ist, als der eigentliche Bodensee. Während der Frühjahrs- und Herbstmonate wird dort das Wasser so stark durchmischt, daß die schon an Sedimentteilchen abgelagerten Nährstoffe wieder an die Oberfläche gespühlt werden und dadurch die Eutrophierung noch verstärkt wird. 3.6. Rettung für "umgekippte" Seen Seen, deren Sauerstoffbilanz negativ ist, bezeichnet man als "umgekippt". Dies äußert sich meistens in einem Fischsterben, das durch große Megen toxischer Gase der anaeroben Zersetzung und Sauerstoffmangel hervorgerufen wurde. Um den See davor zu retten, zu einer Jauchegrube zu werden, muß dafür gesorgt werden, daß das Wasser mit Sauerstoff angereichert wird. Das ermöglicht dann einen aeroben Abbau der Schlammschicht, die sich inzwischen auf dem Boden des Sees gebildet hat. Das Gerät, das man hierzu entwickelt hat, nennt sich Limnoagregat. Es reichert das Tiefenwasser mit Sauerstoff an und löst gleichzeitig Faulgase aus dem Wasser. Das geschieht indem das glockenförmige Limnoagregat dicht über dem Profundal verankert und mit Pressluft von der Oberfläche versorgt wird. Die Pressluft strömt unter die Glocke und saugt dabei Wasser vom Seeboden an, das daraufhin die in ihm gelösten Faulgase abgibt und mit Sauerstoff angereichert wird. Nach oben hin gelangen durch ein Rohr die Faulgase und überschüssige Luft in die Athmosphäre. 4. Eutrophierung von Fliessgewässern Die Eutrophierungsvorgänge in einem See entsprechen zumindest in chemischer Hinsicht denen in fließenden Gewässern. Der gravierende Unterschied liegt hier in der Wasserbewegung, die ständig dafür sorgt, daß ein Gasaustausch zwischen Wasser und Athmosphäre erfolgt. Die Stömung ist dabei an Verschiedenen Stellen unterschiedlich groß. Einerseits nimmt sie von der Quelle zur Mündung hin ab, da der Fluß, je weiter er sich von der Quelle entfernt, breiter wird und damit auch langsamer fließt. Andererseits entstehen durch das Mäandrieren Schleifen, in deren Außenkurven das Wasser schneller fließt, als in den Innenkurven. Je nach Fließgeschwindigkeit wird der Fluß von unterschiedlichen Lebewesen bewohnt, da proportional zur Verlangsamung des Wassers der Sauerstoffgehalt sinkt. 4.1. Selbstreinigungskraft der Flüsse Wird ein un- oder nur gering belasteter Fluß durch Einleitung von Nährstoffen eutroph, so setzt ein Prozess ein, der ähnlich der Mineralisierung von organischen Materialien in einem See ist: Die Selbstreinigung. Die Diagramme auf der vorangehenden Seite zeigen die einzelnen Abläufe während dieses Vorgangs im Rhein. Dabei stellt hier ein Abwassereinlauf, beispielsweise von einem Drainagesystem, eine Quelle toter organischer Substanzen dar. An der Einleitungstelle, wo eine hohe Ammonium-Konzentration herscht, ist ein abrupter Anstieg der Menge an Bakterien, Abwasserpilzen und Protozoen 24 zu beobachten. Das erklärt die dazu gegenläufige Sauerstoffkurve 25 , da jetzt sehr viel davon zur Mineralisierung benötigt wird. Dabei werden die Abbauprodukte hauptsächlich in ihrer reduzierten Form abgegeben, da direkt am Abwassereinlauf nicht genug Sauerstoff zur Verfügung steht, um die Stoffe zu oxidieren. Deutlich wird das auch bei der Betrachtung des untersten Diagramms, in dem das Vorkommen bestimmter stoffumsetzender Kleintiere, den Saprovoren 26 , eingezeichnet ist. Hier ist die typische Abstufung verschiedener Saprovore abhängig vom Sauerstoffangebot zu beobachten. Das mittlere Diagramm zeigt, daß die das Vorkommen von Ammonium, Phosphat und Nitrat jeweils zeitlich versetzt ist. Das erklärt sich durch die einzelnen Umsetzungsprozesse: Ammonium ist an der Einleitungsstelle in besonders großem Maße vorhanden, wird aber relativ schnell mineralisiert. Kurz dahinter liegt das Maximum der Phosphatkurve. Sie erreicht gegenüber der Nitratkurve früher ihr Maximum, da zur Bildung von Phosphat nur ein Umwandlungsschritt nötig ist. Die Bildung von Nitrat läuft dagegen in zwei Schritten ab. Die Algen-Kurve verläuft entsprechend diesem Nährstoffangebot. Dabei fällt auf, daß die Menge der Algen an der Einleitungsstelle unterhalb der sonst üblichen Marke liegt. Das läßt sich darauf zurückführen, daß das Wasser in diesem Bereich stark verunreinigt ist und nur wenig Licht durchläßt. In diesem Fall ist der Nährstoffüberschuß relativ schnell wieder abgebaut. Werden jedoch Abwässer in größerern Mengen eingeleitet, führt das dazu, daß sie bis zur Flußmündung nicht abgebaut werden können. So nimmt dann letztendlich auch die Eutrophierung unserer Meere zu, die die Bildung von Algenteppichen fördert. Deren teilweise toxischen Sekrete schädigen wiederum die Meerestiere und eventuell auch den Menschen. 27 5. Schlusswort Als das für den Menschen wohl wichtigste Element, sollte man doch eigentlich erwarten, daß ihm eine besondere Beachtung zukommt. In der Realität ist das aber nicht unbedingt der Fall, denn da geht es dem Menschen mehr um Profit als um die Zukunft seiner Nachkommen. Als ein besonders großes Problem sehe ich die Einleitung von Chemieabwässern in unsere Flüsse an, denn die Auswirkungen von anorganschen Verbindungen, Schwermetallen Pestiziden und radioaktiven Stoffen lassen sich noch viel weniger abschätzen als die verhältnismäßig einfachen Abläufe der Überdüngung. Wenn also die Eutrophierung alles wäre, was an unseren Gewässern nicht ganz in Ordnung ist, dann könnte man getrost weiterhin an sein eigenes Wohlergehen denken und sich hin und wieder damit beschäftigen, das Problem mit einer Sauerstoffkur aus der Welt zu schaffen. In diesem Sinne kann ich unseren Nachkommen nur wünschen, daß sie das Know-How besitzen, um sich gegen unsere Altlasten wehren zu können. Gunther Lemm / Erdkunde 3.3.ek6 / 11.10.1993 1 2 Endnoten 1 Der biochemische Sauerstoffbedarf (BSB x ) gibt an, wieviel Sauerstoff innerhalb von x Tagen unter konstanten Bedingungen von den im Wasser lebenden Organismen für die Oxidation der in der Wasserprobe enthaltenen abbaubaren Stoffe verbraucht wird. Daraus ergibt sich ein Einblick in die Belastung des Sauerstoffhaushalts. Die Untersuchung des chemischen Sauerstoffbedarfs (CSB) liefert ähnliche Ergebnisse. Hierbei werden allerdings alle (auch schwer oxidierbare) Stoffe mit einbezogen. Aus dem Verbrauch an Oxidationsmittel kann dann der Sauerstoffbedarf errechnet werden. Quelle: Daten zur Umwelt 1988/89; S. 316 2 Rattenschwanzlarven können ihren Schwanz als Schnorchel benutzen und sich mit Sauerstoff aus der Athmosphäre versorgen. Schlammröhrenwürmer besitzen in ihrem Kreislauf einen Stoff, der dem menschlichen Hämoglobin ähnlich ist und besonders gut Sauerstoff binden kann. Quelle: Biologieunterricht 3 Aktivkohle ist sehr reaktionfreudig und besitzt eine enorm große Oberfläche (Ein Gramm davon hat eine Oberfläche von etwa 1000 Quadratmetern). Durch diese Eigenschaften eignet sie sich besonders gut zur Abwasserreinigung, da sie einen großen Teil der im Abwasser enthaltenen Schadstoffe binden kann. Quelle: GEO-Wissen: Wasser - Leben - Umwelt; S.58 4 Werte aus Daten zur Umwelt 1988/89; S. 317/318 5 Quellen dieses Abschnitts: Ökologie / Hafner & Philipp; S.144 - GEO-Wissen: Wasser - Leben - Umwelt; S.67 - Daten zur Umwelt 1988/89; S.317/318 6 Plankton ist der Sammelbegriff für alle im Wasser schwebenden Organismen, die keine größere Eigenbewegung ausführen. Es gibt zwei Arten von Plankton: Das pflanzliche Phyto-Plankton und das tierische Zoo-Plankton. Das im Süßwasser lebende Plankton unterscheidet sich stark vom Salzwasser-Plankton. Quelle: Bertelsmann Universallexikon 7 Ein See teilt sich vertikal in Epilimnion, den lichtdurchfluteten Teil und Hypolimnion, den unteren lichtlosen Teil auf. Diese Aufteilung hängt hauptsächlich mit dem Sauerstoffgehalt zusammen. Epilimnion: Sauerstoffproduktion > Sauerstoffverbrauch; Kompensationsebene (Lichtgrenze): S.-Produktion = S.-Verbrauch; Hypolimnion: S.-Produktion < S.-Verbrauch. Quelle: Ökologie / Hafner & Philipp / S.102 8 Die Sprungschicht befindet sich zwischen Epi- und Hypolimnion. Sie wird auch Metalimnion genannt. 9 Die Autolyse ist ein Vorgang, der sich in jeder abgestorbenen Zelle abspielt. Aufgrund fehlender Energie verlieren die Zellmembranen ihren Zusammenhalt und die in den Lysosomen enthaltenen Verdauungsenzyme beginnen die Zelle zu zersetzen. Die gleichen Abläufe, wie z.B. bei abgehangenem Fleisch. Quelle: Biologieunterricht 10 NH 4 + = Ammonium; Zur Umsetzung von 1mg Ammonium zu Nitrat sind rund 4,5mg Sauerstoff nötig. Der Umwandlungsprozeß ist stark temperaturabhängig, weshalb er nur in der warmen Jahreszeit erfolgen kann. Quelle: Daten zur Umwelt 1988/89; S.318 11 NO 2 - = Salze der Salpetersäure. Siehe 2.2. Eutrophierung durch Phosphate und Nitrate 12 NO 3 - = Nitrat; Siehe 2.2. Eutrophierung durch Phosphate und Nitrate 13 PO 4 3- = Salze verschiedener Phosphorsäuren. Siehe 2.2. Eutrophierung durch Phosphate und Nitrate 14 SO 4 2- = Salze der Schwefelsäure 15 Siehe 3.4.3. Frühjahrs- und Herbstzirkulation 16 Der sauerrstoffzehrende Bodenbereich des Sees (unterhalb der Kompensationsebene). 17 H 2 PO 4 - 18 NH 3 19 H 2 S = übelriechendes, toxisches Gas 20 Die Situation im Sommer ist besonders kritisch, da ein Stoffaustausch zwischen Profundat und Pelagial durch die Sprungschicht verhindert wird. Siehe 3.4.1. Sommerstagnation 21 Quelle der Abschnitte in 3.3.: Ökologie / Hafner & Philipp - Studie Wasser / Greenpeace - Daten zur Umwelt 1988/89 22 Quelle der Abschnitte in 3.4.: Ökologie / Hafner & Philipp; S. 105 23 Felchen stammen aus der Gattung der lachsartigen Fische und sind auch etwa so exklusiv wie Lachse (zumindest in der Bodensee-Region). Sie ernähren sich von Plankton und Kleintieren. Quelle: Bertelsmann Universallexikon 24 Einzeller, die sich von Bakterien ernähren. 25 Achtung! Die BSB- und die Sauerstoffkurve verlaufen vor der Abwassereinleitung nicht auf dem gleichen Niveau! Die BSB-Kurve ist erst ab der Stelle des Abwassereinleitung in das Diagramm eingezeichnet. 26 Saprovore sind Bewohner des Bodenbereichs von Gewässern. Sie sorgen dafür, daß größere Mengen organischer Abfälle zerkleinert und damit zur Mineralisierung vorbereitet werden. Quelle: Biologieunterricht 27 Quelle dieses Abschnitts: Ökologie / Hafner & Philipp; S. 111 (auch die Diagramme) - Studie Wasser / Greenpeace; S. 32 ff. - Wasser / Leopold & Schua; S. 221 ff. Bibliographie Bertelsmann Universallexikon ; Bertelsmann Lexikon Verlag 1991 GEO-Wissen : Wasser - Leben - Umwelt; Gruner + Jahr AG & Co., Hamburg 1988 Hafner, Lutz / Eckhard Philipp: Ökologie - Materialien für den Sekundarbereich II Biologie; Schroedel Schulbuchverlag, Hannover 1992 Hoff, Peter / Dr. Joachim Jaenicke / Wolfgang Miram: Biologie heute 2G; Schroedel Schulbuchverlag GmbH, Hannover 1987 Kluge, Dr. Thomas / Engelbert Schramm (Institut für sozial-ökologische Forschung Frankfurt am Main): Greenpeace - Studie Wasser; Greenpeace e.V., Hamburg 11/1990 Leopold / Roma Schua: Wasser - Lebenselement und Umwelt; Karl Alber GmbH, Freiburg/München 1981 Umweltbundesamt: Daten zur Umwelt 1988/89; Erich Schmidt Verlag GmbH & Co., Berlin, 3.Ausgabe 1989 Index A aeroben Zersetzung 8 Aktivkohle 4 Algen 2, 5, 15 Ammoniak 8 anaerobe Zersetzung 8 Austausch von Wasserschichten 11 Autolyse 7 B Biozönose 8 Blausucht 4 D Destruenten 5 E Eisen-III-Ionen 8 Eisen-III-phosphat 8-9 Eisschicht 11 Epilimnion 9-11 eutroph 14 F Faktoren 2, 8 Faulgase 13 Felchen 12 Fischsterben 9, 13 Fließgeschwindigkeit 14 Frühjahrs- und Herbstzirkulation 9 H Haushaltsabwässer 4 Hypertrophierung 5, 9 Hypolimnion 9-11 J Jahreszeit 10 K Klima 10 Kohlendioxid 9 Konsumenten 5 L Limnoagregat 13 M Mineralisierung 7, 14 N Nahrungskette 4 Nitrat 4, 8, 14-15 Nitrat-Bakterien 8 Nitrit 7-8 Nitrit-Bakterien 7 Nährstoffkreislauf 5, 7 O oligotroph 5 Oxidation 5, 8 P Phosphat 4-5, 8, 14-15 Photosythese 5 Produzenten 5 Profundal 13 S Saprovore 14 Sauerstoffmangel 8-9, 13 Schwefelwasserstoff 8-9 Sedimentteilchen 8, 13 Sprungschicht 7, 9-11 Stagnation 10 W wachstumsbegrenzende Faktoren 8 Wassergüte 2 Wassertemperatur 7, 10 Wasserzirkulation 10 Z Zersetzung 7-9, 11, 13