Nährstoffrücklösung in Seen. Phänomene, Mechanismen, Konsequenzen

Inhaltsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1 Einleitung

2 Grundlagen
2.1 Vorbemerkung
2.2 Begriffe
2.2.1 Trophie
2.2.2 Mixis
2.2.3 Sediment
2.2.4 Lebensräume
2.3 Bedeutung des Sauerstoffs für Seen
2.4 Nährstoffe

3 Lösungsmechanismen
3.1 Allgemeines
3.2 Stickstoff
3.2.1 Allgemeines
3.2.2 Nitrifikation und Denitrifikation
3.2.3 Biologische N₂-Fixation
3.3 Phosphor
3.3.1 Allgemeines
3.3.2 Anaerobe P-Rücklösung (klassische Rücklösungstheorie)
3.3.3 Einflüsse auf die P-Freisetzung aus anaerobem Sediment
3.3.4 Aerobe P-Rücklösung
3.3.5 Einflüsse auf die P-Rücklösung aus aerobem Sediment
3.4 Sonstige Einflüsse

4 Zusammenfassung und Maßnahmen

Tabellenverzeichnis

1 Definitionen der Trophiegrade für stehende Gewässer (LAWA 1998)

2 Die wichtigsten Stickstoffund Phosphorverbindungen

3 Auswirkungen der Sauerstoffverhältnisse an der Sedimentoberfläche

Abbildungsverzeichnis

1 Wasserschichtung eines Sees

2 Sauerstoffschichtung im Sediment

3 Freisetzung verschiedener Stickstoffformen im Sediment

4 Überblick über die Rücklösungsmechanismen des Phosphors

5 P-Rückhalt in aerobem Sediment bei aerobem Wasser

6 P-Rücklösung aus anaerobem Sediment in anaerobes Wasser

Verzeichnis der Abkürzungen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

In jüngster Zeit ist die Gewässergüte – nicht zuletzt durch das Inkrafttreten der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie (EU-WRRL) im Dezember 2000 – zunehmend in das Bewusstsein der Fachwelt gerückt.

Die Gewässergüte wird in der Regel durch Belastungen quantifiziert. Hierunter sind nicht alleine Schadstoffe, sondern auch Nährstoffe – jeweils mit ihren Bilanzen – zu verstehen. Nährstoffe beeinflussen Lebewesen, indem sie deren Wachstum und Vermehrung fördern bzw. bei Abwesenheit hemmen. Sie haben damit indirekt Einfluss auf den Sauerstoffhaushalt eines Gewässers. Dieser bestimmt die chemischen und biologischen Prozesse, die im Ökosystem Gewässer ablaufen können.

Im Zusammenhang mit Nährstoffen fällt häufig der Begriff der Eutrophierung. Obwohl in jüngster Zeit die externen Nährstoffbelastungen der Gewässer in Deutschland rückläufig sind ([2]), ist der Prozess der Eutrophierung in vielen Seen weiterhin zu beobachten. Ursache dafür ist, sofern die externen Belastungen niedrig sind, hauptsächlich die Nährstoffrücklösung aus Sedimenten – auch interne Düngung (internal loading) genannt.

Die vorliegende Ausarbeitung beschäftigt sich mit diesem Aspekt der Eutrophierung im Bereich der stehenden Gewässer. Ziel ist die Katalogisierung und Erläuterung der Prozesse und Einflüsse sowie die Darstellung wichtiger Konsequenzen, die sich daraus ergeben.

2 Grundlagen

2.1 Vorbemerkung

In diesem Abschnitt werden Begriffe und Zusammenhänge nur so weit erläutert, wie sie für das Verständnis des Themas erforderlich sind.¹

Die folgenden Erläuterungen beziehen sich nur zum Teil auf fließende Gewässer. Den Kern der Ausarbeitung bilden die stehenden Gewässer; das sind natürliche Seen und künstliche Seen (z. B. Talsperren).

2.2 Begriffe

2.2.1 Trophie

Als Trophie eines Sees wird die Intensität seiner Primärproduktion bezeichnet. „Die Primärproduktion beruht auf dem biochemischen Prozess der Photosynthese, bei der Strahlungsenergie biochemisch gebunden wird.“ [11, S. 171].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1: Definitionen der Trophiegrade für stehende Gewässer (LAWA 1998); aus: [8, S. 19]

Der Trophiezustand eines See hängt von vielen Parametern ab. Unter anderem sind dies Nährstoffkonzentration, Tiefe des Sees und Retentionszeit des Wassers. Er wird von der Länderarbeitsgemeinschaft Wasser (LAWA) in mehrere Trophiestufen eingeteilt, die in Tabelle 1 dargestellt sind.

Unter Eutrophierung versteht man die Zunahme der Primärproduktion im Gewässer. Sie kann unter anderem durch Nährstoffanreicherung bewirkt werden und entspricht einer Änderung vom oligotrophen zum eutrophen Gewässerzustand. „Die Konzentration an gelöstem Sauerstoff im hypolimnischen Wasser kann als Indikator für die Eutrophierung genutzt werden.“ [9, S. 536]

Man unterscheidet die natürliche Eutrophierung, die in jedem stehenden Gewässer in geologischen Zeiträumen stattfindet, von der künstlichen Eutrophierung, die durch anthropogene Einflüsse bedingt wird und in Zeiträumen von mehreren Jahrzehnten stattfindet. Wird von Eutrophierung gesprochen, so ist in der Regel die künstliche Eutrophierung gemeint.

2.2.2 Mixis

Schichtungen des Seewassers werden durch unterschiedliche Verteilungen der Wasserdichte über die Seetiefe hervorgerufen. Sie stellen sich je nach Klimabedingungen (insbesondere Temperatur und Wind) ein und sind durch die jeweilige Temperaturverteilung über die Wassertiefe im See definiert (Dichteanomalie des Wassers). Eine Schichtung ist in Abbildung 1 beispielhaft schematisch dargestellt.

Die Schichten lassen sich folgendermaßen charakterisieren [9]:

Epilimnion: Obere, gleichmäßig temperierte, in sich zirkulierende, belüftete und leichtere Warmwasserschicht. Sie wird ganz oder teilweise durchleuchtet (tropogene Zone). In der tropogenen Zone findet der größte Teil der Primärproduktion statt.

Das Epilimnion ist nährstoffzehrend und O₂-eintragend.

Metalimnion: (Sprungschicht) Übergangsschicht mit meist großen Temperaturgradienten.

Sie ist die Grenzschicht der epilimnischen Zirkulation.

Hypolimnion: Untere, meist stagnierende, wenig durchleuchtete, kältere Wasserschicht größerer Dichte.

Hier findet ein großer Teil des Abbaus von in der Produktionsmasse gebildeten organischen Substanzen durch Mineralisationsprozesse statt. Da während der Stagnationsphasen kein Sauerstoff zugeführt wird und viele Prozesse sauerstoffzehrend sind, wird das Hypolimnion in diesen Phasen O₂-arm.

Monimolimnion: Nicht zirkulierendes Tiefenwasser. Es ist frei von Sauerstoff, enthält hohe Nährstoffkonzentrationen sowie Methan und Schwefelwasserstoff und ist häufig salzhaltig.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Wasserschichtung eines sees

Für die Betrachtung der Nährstoffrücklösung ist es sinnvoll, flache Seen von den tiefen und sehr tiefen Seen zu unterscheiden. In vielen flachen Seen bildet sich während des ganzen Jahres keine stabile Schichtung aus. In tiefen Seen bildet sich während der Stagnation ein dreischichtiger Wasserkörper aus. In sehr tiefen Seen, die nie bis zur Sohle zirkulieren, lässt sich zusätzlich noch eine vierte Schicht, das Monimolimnion feststellen.

Weiterhin unterscheidet man die Stagnationsphasen (stabile Schichtung im Sommer und Winter) von den Zirkulationsphasen (Frühjahr und Herbst).²

2.2.3 Sediment

Sedimente bestehen aus verschiedenen Materialien, von denen die organischen (z. B. Exkremente, totes Material) für die Sauerstoffverhältnisse im Sediment die wichtigsten sind. Die Materialien sedimentieren aus den überstehenden Wasserschichten.

Auf dem Weg in die Tiefe unterliegt organisches Material verschiedensten Stoffwechselprozessen und wird durch diese mineralisiert. Die Mineralisierungsprozesse laufen bevorzugt sauerstoffzehrend ab. Das bedeutet, dass für Partikel, die auf dem Weg zum Sediment nicht vollständig mineralisiert wurden, an der Sedimentoberfläche Sauerstoff zur Umsetzung erforderlich ist. Ist kein Sauerstoff vorhanden (anaerobe Verhältnisse), so kann die Umsetzung langsamer auch anaerob erfolgen. Siehe dazu auch die Ausführungen zur Schichtung von Seen (Abschnitte 2.2.2 und 2.2.4).

Sedimente sind in der Regel geschichtet. Für die Prozesse der Nährstoffrücklösung ist eine Schichtung im Hinblick auf die Sauerstoffverhältnisse und damit das Redoxpotential (besonders an der Sediment-Wasser-Kontaktschicht) entscheidend. Bei aerobem Tiefenwasser stellt sich eine Verteilung ähnlich Abbildung 2 ein. Die Mächtigkeit der aeroben Sedimentdeckschicht kann unter anaeroben Verhältnissen im überstehenden Freiwasser auf Null zurückgehen, so dass das Sediment vollständig in den anoxischen oder anaeroben Zustand übergeht.

Nährstoffe unterliegen im Sediment Fällungs-, Lösungsund Austauschvorgängen; sie werden gebunden und freigesetzt. Über längere Zeiträume (über einen Jahreszyklus hinaus) überwiegt eine Akkumulation, so dass das Sediment als Nährstoffsenke für den See wirkt. Die Närstoffkonzentrationen können dort ein Vielfaches der Konzentrationen im Wasser annehmen [5].

Es ist zu beachten, dass Sedimente in den obersten Schichten häufig eine schlammige Konsistenz besitzen und dort zu einem großen Teil aus organischen, vollständig oder unvollständig mineralisierten Bestandteilen bestehen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Sauerstoffschichtung im Sediment (schematisch und stark vereinfacht)

2.2.4 Lebensräume

Die Lebensräume im See werden wie folgt eingeteilt [7, 9]:

Pelagial = Freiwasserzone. Organismen haben keine oder nur eine zeitweilige Beziehung zum Boden und halten sich sonst schwebend und/oder schwimmend im freien Wasser auf. Vertikale Unterteilung in:

- euphotische Zone

(oberes, durchlichtetes Pelagial, auch trophogene Zone bzw. Epipelagial genannt)

- aphotische Zone

(unteres, mit Licht unterversorgtes Pelagial, auch tropholytische Zone bzw. Bathypelagial genannt)

Benthal = Bodenzone. Organismen halten sich ganz oder überwiegend in oder auf dem Sediment oder an Pflanzen auf. Vertikale Unterteilung in:

- Litoral (Uferzone)
- Profundal (Tiefenzone)

2.3 Bedeutung des Sauerstoffs für Seen

Die Sauerstoffbilanz eines Sees ist neben den Nährstoffbilanzen ein entscheidendes Kriterium für die Beurteilung seiner Wasserqualität.

[...]

¹ Eine umfassende Darstellung und Erläuterung ist nicht Ziel dieser Ausarbeitung und würde deren Rahmen bei weitem sprengen. Hierfür sei auf die einschlägige Literatur verwiesen, z. B. [ 4, 9, 11] und im Internet [3].

² Auf eine Charakterisierung von Seen nach ihren Zirkulationstypen wird hier verzichtet. Siehe hierzu [ 9] und [11]