Der Einfluss des Sauerstofflochs der Elbe auf Wasserqualität und Fauna

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung
1.1 Geschichtliches und Problematisierung

2. Allgemeines zum Sauerstoffloch
2.1 Definition und Hauptverursacher

3. Beantwortung der Leitfrage
3.1 Das Sauerstoffloch bedingt die Wasserqualität der Elbe
3.2 Einflüsse des Sauerstofflochs auf die Elbfauna

4. Danksagung

5. Anhang
5.1 Grafiken
5.2 Reflexion
5.3 Literaturverzeichnis
5.4 Zeitplan für die Seminararbeit

1. Einleitung

1.1 Geschichtliches und Problematisierung

Die in Tschechien entspringende Elbe ist mit ihren 1094 km Länge der vierzehnt längste Fluss Europas und wurde zu Zeiten der DDR, wo sie regional als Grenzfluss diente, starken Schwermetallbelastungen ausgesetzt. Nach Schätzungen westlicher Experten war die Industrie der Deutschen Demokratischen Republik an über 90% der Schadstoffbelastungen dieses mitteleuropäischen Stroms schuld.1 Heute konnte sich der Fluss weitgehend wieder regenerieren, jedoch gilt es schon die nächste Hürde zu meistern – organische Belastungen. Ursache ist die vermehrte landwirtschaftliche Nutzung der Flussaue, sodass Dünger über Oberflächenabfluss und Grundwasser in die Elbe gelangt. Hierdurch werden eine Reihe von Wirkungsketten angestoßen und am Ende steht das Sauerstoffloch, welches in der Elbe zwischen 1970 und 1985 seinen Höhepunkt erreichte 2 (Abb.1). Da auch die Selbstreinigungsprozesse der Elbe stark eingeschränk wurden, zeigte sich erst ab 1987 mit der Inbetriebnahme größerer Klärparks entlang des Elbe Unterlaufs eine Rekonvaleszenz. Doch was genau versteht man unter dem Begriff Sauerstoffloch, wie ensteht es und welchen Einfluss hat es auf Fluss und Organismen (vgl. mit Leitfrage siehe Deckblatt)?

2. Allgemeines zum Sauerstoffloch

2.1 Definition und Hauptverursacher

Sinkt die Sauerstoffkonzentration eines Gewässers unter den kritischen Wert von 3 mg/l, spricht man von einem Sauerstoffloch.3 Normalerweise tritt dieses Phänomen häufiger in stehenden Gewässern, wie Tümpeln, Weihern, Seen, Teichen oder Stauseen auf, da Fließgewässer aufgrund ihrer Bewegung ein sauerstoffreicheres Epilimnion aufweisen. Doch welche Rolle spielt der oben genannte Dünger? Das für Pflanzen fundamental wichtigste Nährsalz ist Phosphat, denn es ist Grundbestandteil der DNA, RNA und desweiteren auch unverzichtbar für die Energiegewinnung (ATP-Produktion). Das Problem, welches Pflanzen haben ist, dass Phosphat zwar recht häufig im Boden vorhanden ist, dieses aber vielfach in Eisen, Calcium oder Aluminiumverbindungen gebunden vorliegt und somit nicht nutzbar ist. Diesem Minimumfaktor entgegenwirkend düngt man Felder mit Orthophosphat, welches Phosphat im gelöstem und damit für Pflanzen frei zugänglichen Zustand beinhaltet (H2PO4-und HPO42-).4 Da die Elbauen im Überschwemmungsgebiet der Elbe lokalisiert sind, besitzen diese fruchtbare Böden und sind für die Landwirtschaft attraktiv. So gelangen große Mengen an Phosphat und weiteren Silikaten unbeabsichtigt in die Elbe. „Die Dosis macht das Gift“, so der für das Elbewassergütemessnetz verantwortliche Diplomingenieur Werner Blohm. Die

Folge dieser anthropogenen Eutrophierung: übermäßiges Algenwachstum bei gutem Wetter! Im Vergleich zu 2009 wo der maximale Chlorophyllgehalt bei 41,54 μg/l (17. Juni) stieg dieser im Jahre 2012 auf 56,56 μg/l (27. Juli) – (Abb.2). Diese quantitativ enormen Grün-und Blaualgenblüten, die mit der vermehrten Phosphatdüngung einhergehen, werden erst in größeren Wassertiefen zur wirklichen Gefahr. In seichteren Elbabschnitten, wie man sie beispielsweise im Hafenbecken von Over vorfindet oder vereinzelt auch im Litoral der Süderelbe, wird das Phytoplankton von Wind und Wellen so umgewälzt, dass eine einheitliche Fotosynthese betrieben werden kann und sich die Algen nicht selbst behindern. Gelangen die Algen in den Hafen, erwartet sie dort ein ausgeprägtes Profundal und damit Dunkelheit. Der Grund – im Hafen sinkt die die Tiefe der Elbe von zwei bis drei Metern schlagartig auf 12 bis 13 Meter, da hier die Seeschifftiefe vorliegt. Zudem ist die Morphologie der Elbe hier ein weiterer schlechter Einfluss: zum Hafen hin wird diese immer breiter und fließt folglich langsamer. Vergleicht man die ab Geesthacht tidebeeinflusste periodische Umwälzung der Algen des Mutterlaufs mit der im Hafen, so fällt auf, dass sich zeitlich betrachtet eine „Umwälzung“ verlängert hat. Die Algen erhalten also nicht mehr genügend Licht um ihre Lebensgrundlage – Fotosynthese – betreiben zu können und sterben ab. Desweiteren erzeugt die zwischen vier und 12 Uhr auftretende Tide neben einer Differenz des Flut- und Ebbewasserstandes von ca. zwei bis drei Metern auch eine Trübung des Wassers, welche von feinen Bodenpartikeln herrührt, die das Wasser mitgerissen hat. Auch diese Trübung bewirkt eine eingeschränkte Fotosyntheseleistung. Mit der Abnahme des abiotischen Faktors Licht steigt gleichzeitig die interspezifische Konkurrenz speziell zwischen Grün- und Kieselalgen, sodass diese sich gegenseitig temporär verdrängen und ihre Maxima erreichen. So werden die vorherigen Akteure der Nährschicht zu denen der Zehrschicht, wo sie von heterotrophen Destruenten, wie Bakterien, zu anorganischen Nährsalzen umgewandelt werden. Eigentlich ein recht gewöhnlicher Vorgang in einem eutrophen Gewässer, wäre da nicht die schiere Menge an Algen, die da bei einer mittleren

Fließgeschwindigkeit von 720 m3/s gen Hafen fließen (Abb.3). Während die Mikroorganismen im Profundal an jenen Zersetzungs- und Gärungsprozessen beteiligt sind, veratmen sie Sauerstoff, sodass sich schon bald ein Defizit einstellt. So lässt sich ein Zusammenhang zwischen Algenwachstum und Sauerstoffgehalt der Elbe feststellen: von April bis Mitte November – zeitgleich zu den Blüten der Kieselalgen im Frühjahr und Herbst, sowie der der Grün- und Blaualgen in den Sommermonaten, lässt sich im Hamburger Hafen ein Sauerstoffloch nachweisen.

1815 war die Elbe im Schnitt dreieinhalb Meter tief.5 Mit fortschreitendem technologischem Fortschritt und expandierten Handelsabkommen wurde die Elbe des öfteren vertieft. 1999 fand die letzte Vertiefung statt. 2002 begannen neue Verhandlungen, denn nun sollen auch Schiffe mit bis zu 13,5 Metern Tiefgang die Möglichkeit haben Elb-Fahrrinnen zu passieren. Werner Blohm sieht jedoch keine größeren zusätzlichen negativen Auswirkungen auf die

Elbe, denn „ob die Elbe jetzt ein bis zwei Meter tiefer ist, spielt jetzt auch keine Rolle mehr.“

3. Beantwortung der Leitfrage

»Inwieweit beeinflusst das Sauerstoffloch der Elbe die Wasserqualität und die heimische Fauna?«

3.1 Das Sauerstoffloch bedingt die Wasserqualität der Elbe

Im nachfolgenden Abschnitt sollen die 6 Parameter Sauerstoffsättigung, Ammoniumgehalt, Nitratgehalt, Nitritgehalt, Phosphatgehalt und pH-Wert mit dem Sauerstoffloch in einen Kontext gesetzt werden und ihre Bedeutung aufgezeigt werden, sodass letztlich eine Gewässergüteklassenbestimmung möglich sein wird.

Wieviel Sauerstoff ein Gewässer enthält, hängt maßgeblich von drei Faktoren ab: der Temperatur, der Fließgeschwindigkeit und der aquatischen Organismen. Wie bereits erwähnt tragen Algen und die Morphologie der Elbe im Hafenbereich, sowie Düngerrückstände dazu bei, dass durch nahezu exponentielles Algenwachstum die Kapazitätsgrenze schnell überschritten wird und das Massenabsterben beginnt. Im Zuge der Gärungsprozesse wird dem Wasser gelöster Sauerstoff entzogen und das Sauerstoffloch entsteht. Betrachtet man die Sauerstoffkonzentration über das Jahr verteilt, so fällt das Sauerstoffloch auf das wärmere Halbjahr, wo die Algenblüten stattfinden. Während der Wintermonate weist die Elbe einen annähernd konstanten und hohen Sauerstoffgehalt auf, der bei 14 mg/l liegt (keine Algenproduktion und im allgemeinen langsamere Stoffwechselprozesse). Im Frühling sinkt dieser Wert um 4 mg/l und erreicht mit 4 mg/l im Sommer seinen Tiefpunkt. Nach Anbruch des Herbstes steigt der O2-Gehalt wieder auf Frühlingsniveau (ca. 9 mg/l). Die Temperatur hat einen recht vielfältigen Einfluss auf die Entstehung eines Sauerstoffloches, denn zum einen bietet sommerliche Wärme den Algen ein ideales Vermehrungsmilleu, so kann neu entstandenes Plankton Teile der Globalstrahlung absorbieren und das Epilimnion erwärmt sich. Folglich kann weniger O2 in das Wasser diffundieren und die Sauerstoffabwärtsspirale gelangt tiefer und tiefer. Zum anderen kann bei einheitlicher Temperatur und damit auch einheitlicher Wasserdichte der Wind eine komplett Zirkulation bewirken, sodass ein Gasaustausch stattfinden kann. Die für 2012 von den Messstationen Bunthaus und Blankenese ermittelten Durchschnittswerte der Sauerstoffsättigung der Elbe beziffern mit 96,69 % den Bereich 1 der Güteklasse (Abb.5 & 6).

Ammonium (NH4+) ist ein Kation, welches bei der Zersetzung stickstoffhaltiger Verbindungen unter Sauerstoffmangel entsteht. Es ist wichtig für Tiere und Pflanzen, da diese nur in Außnahmefällen direkt N2 aus der Luft verwenden können. Und Stickstoff ist ja bekanntlich essentieller Bestandteil der Aminogruppe von Aminosäuren und damit unverzichtbar für die Proteinsynthese. Somit werden Äcker auch mit den direkt verwertbaren Amonium-Ionen gedüngt. Bemerkenswerterweise weist die Ammoniumkonzentration genau in den Anbau-Monaten zwischen April und September eine Erhöhung auf. Zum einen signalisiert dieser Ammonium-Anstieg also die erhöhten Abbauprozesse (v.A. die der abgestorbenen Algen) im Bereich des Elb-Profundals und zum anderen bietet dieser durch Eutrophierungsabläufe oder Düngung bedingte Zuwachs neuen Algen eine verbesserte Lebensgrundlage. So haben wir auch hier einen Teufelskreis vorliegen. Der durchschnittliche Ammonium-Wert im Jahr 2012 betrug ca. 0,1625 mg/l und befindet sich daher im Bereich der Gewässergüteklasse 1 (Abb.7). Bei einem pH-Wert von 7 (Neutralpunkt) liegen Ammonium und Ammoniak (Ammonium ist die protonierte Form des Ammoniaks/NH3) in einem

Dissoziationsgleichgewicht vor. Verschiebt sich der pH-Wert jedoch in den alkalischen Bereich wird das für Pflanzen und Tiere toxische Ammoniak vermehrt gebildet (akut gefährlich ab einem Wert von 0,7 mg/l).6

Eine Verschiebung des Gleichgewichts zum Ammoniak hin scheint im Bezug auf den pH-Wert in Ansätzen möglich, jedoch quantitativ nicht sonderlich gefährlich (nur Außnahmefälle wie im März 2012, wo große Mengen Gülle aus einer Biogasanlage in Schultenwede/Landkreis Rotenburg fatalerweise in kleinere Flüsse wie die niedersächsische Veerse gelangten, führen zum Massensterben großer Teile der aquatischen Fauna aufgrund einer Ammoniakvergiftung).7 Der pH-Wert betrug im Jahre 2012 durchschnittlich 8,316 und war damit leicht erhöht (Abb.8). Er misst die Wasserstoff-Aktivität einer Lösung. Bei starkem Pflanzenwachstum und ausreichend Sonnenlicht wird dem Wasser CO2 entzogen, da dieses

für Fototsynthesevorgänge benötigt wird. So verringert sich der Anteil an Kohlensäure (CO2 + H2O ↔ H2CO3) im Wasser und der pH-Wert verschiebt sich ins Alkalische. 2012 zeigte der pH-Wert der Elbe in bezug auf die Gewässergüte Klasse 2 an.

Auch Nitrat (NO3-) ist Bestandteil vieler gängiger Düngerkombinationen, da es den Pflanzen ähnlich wie Ammonium-Ionen Stickstoff bereitstellt. Unter anaeroben Bedingungen wird es von Mikroorganismen zu toxischem Nitrit (NO2-) – (Abb.9) und Ammonium umgewandelt. Den Tiefpunkt erreicht das Nitrat im Juni mit 0,061 mg/l. Wenig später erreicht das Nitrit einen Höhepunkt von 0,1 mg/l (August/September) – ein eindeutiges Indiz für das Sauerstoffloch. Der Jahresdurchschnittswert an Nitrat betrug 2012 in der Elbe ca. 2,23 mg/l

(Abb. 10) und nach der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) befindet sich dieser Wert bezogen auf den chemischen Index einer Gewässergüteklassifizierung in Klasse 1.

Da Phosphat (PO43-) in der Natur meist ein biomasseeinschränkendes Nährsalz ist (Minimumfaktor) wird erst durch die unbeabsichtigte Zugabe eben dieses (Düngung) die Verwertung der anderen Düngungsbestandteile ermöglicht. Folglich hat Phosphat einen großen Einfluss auf die Algenproduktion und damit auf das Sauerstoffloch. 2012 betrug der Orthophosphat-Gehalt der Elbe durchschnittlich ca. 0,0416 mg/l (Abb.11). Nach der WRRL befindet sich die Elbe bezogen auf das Phosphat-Parameter in Klasse 1.

Geringe organische oder anorganische Nährstoffzufuhr, keine nennenswerte Sauerstoffzehrung. Vielfältige und dichte Besiedlung. In der Regel Oberläufe von Gebirgs- und Mittelgebirgsbächen. 8 – So zumindest sprechen die berechneten Mittelwerte der Elbe-Gewässergüte, die sich überwiegend im Bereich der ersten Klasse aufhalten. Doch auffallend sind die großen Disparitäten, meist zwischen den Winter- und den Sommermonaten, hinsichtlich der Nährsalzmengen und des Sauerstoffangebots. Diese Risikomonate fallen im Jahresdurchschnitt nicht mehr auf, obwohl gerade sie für das Verenden vieler Elborganismen verantwortlich seien können. Nimmt man die negativen Extremwerte der oben beschriebenen sechs Parameter von 2012 (pH-Wert: 8,9 im Mai, Ammoniumgehalt: 0,3 mg/l im Mai, Orthophosphatgehalt: 0,06 mg/l im Oktober, Nitratgehalt: 4,3 mg/l im Februar, Nitrit: 0,1 mg/l im August und September und der Sauerstoffsättigung: 44% im Juni), so erhält man die Gewässergüteklasse 3, welche das z.T. kurzfristige stoffliche Ungleichgewicht in der Elbe besser beschreibt: Belastung mit organischen sauerstoffzehrenden Stoffen bewirkt kritischen Zustand. Fischsterben wegen Sauerstoffmangels möglich, Artenrückgang bei Makroorganismen, Massenentwicklungen auch von Algen. 8

3.2 Einflüsse des Sauerstofflochs auf die Elbfauna

Sauerstofflöcher enstehen nicht schlagartig, von einem Tag auf den anderen, sondern sie dehnen sich langsam aus. Da der Ursprung eines Sauerstofflochs in der Elbe der Hafen ist, müssen Organismen entweder stromaufwärts, in den Mutterstrom gelangen oder stromabwärts in Mündungsrichtung ausweichen. Interessanterweise spielt nach Werner Blohm Erfahrung dabei eine entscheidende Rolle. Ausgewachsene höhere Organismen weichen den Risikozonen zumeist erfolgreich aus, jedoch unerfahrenere Jungtiere sind hier im Nachteil, da sie die Gefahr nicht sofort als solche erkennen. Wenn beispielsweise im Sommer das Sauerstoffloch bei niedrigen Elbfließgeschwindigkeiten vom Hafen her kommend nach Süden wandert, so werden viele Jungfische in den kleineren Hafenbecken eingeschlossen, welche letztlich zur Todesfalle werden. Ab Mitte Februar bis Anfang März ziehen die großen Stinte von der Nordsee her kommend in die Oberelbe, um dort über sandigem Boden abzulaichen. So früh im Jahr ist das Sauerstoffloch noch kaum ausgeprägt und für die ausgewachsenen Elbstinte keine Gefahr. Schlüpfen dann die Jungstinte in den April hinein, werden diese von der Strömung erfasst und in den Hafen getrieben. Dort jedoch ist die kritische Marke von unter 3 mg/l Sauerstoff schon erreicht und es kommt zum Massensterben. Im Allgemeinen sind am oder im Benthal lebende Fische nicht sonderlich anfällig bezüglich Schwankungen der Sauerstoffkonzentration, da sie ja ohnehin überwiegend in der Zehrschicht bestehen. Dies sind beispielsweise Pleuronectiformes (Plattfische), Cypriniformes (Karpfenartige) und Arten der Familie Anguillidae (Aalartige). Besonders schnell schwimmende Räuber wie die Meerforelle stehen solchen Milleuveränderungen intollerant gegenüber. Ihre Laichplätze befinden sich in der Nordheide. Auf ihrer über 100 km langen Reise durch die Elbe steht ihnen das Sauerstoffloch als Barriere im Weg. Solche Wanderfische können sich im schlimmsten Fall gar nicht vermehren, oder müssen notgedrungen später im Jahr laichen. So verschiebt auch die Schlüpfzeit der Jungfische. Meistens finden diese dann keine optimalen Bedingungen wie beispielsweise die Stinte, die eine Wassertemperatur von 9 °C bevorzugen. Somit ist die Lebensgrundlage der Jungfische nicht garantiert und auch hier kann es zum Absterben kommen. Entgegen der weitverbreiteten Annahme, dass tote Fische immer an der Wasseroberfläche treiben, sinken diese vorerst ab. Erst im Laufe des Zersetzungsprozesses im Profundal werden Faulgase gebildet die dem Fisch letztlich Auftrieb geben. Auch hierbei findet eine Sauerstoffzehrung statt. So gesehen haben nur Aasfresser wie Möwen oder Kormorane einen Vorteil, da von Schiffen aufgewirbelte oder durch Gärungsprozesse aufgetriebene Fische für sie ein vermehrtes Nahrungsangebot darstellen.

Mehr oder weniger festsitzende Organismen wie Muscheln (Mollusca) und Schnecken (Gastropoda) haben nicht mal die Möglichkeit einer Risikozone, wie einem Sauerstoffloch auszuweichen. Diese sessilen Bestandteile des Benthos weisen, ähnlich wie Bäume, Wachstumsringe auf. Normalerweise bauen Muscheln ihre Schale zu gleichen Teilen aus organischen Stoffen und anorganischen Mineralien auf. Ist eine Muschel gezwungen ihre Schalen komplett zu schließen betreibt sie anaerobe Respiration. Dies ist bei den meisten Arten natürlich bedingt im Winter der Fall. Oft tritt ein Wachstumsstopp oder eine Schrumfungserscheinung auf, da bei der anaeroben Atmung saure Stoffwechselprodukte entstehen, die das Calciumcarbonat der Muschelschale anlösen. Hat sich das Außenmilleu so weit gebessert, dass die Muschel wieder normal aerob atmen kann, werden auch ganz normal wieder die mineralischen Bestandteile der Schale gebildet. Die Monate jedoch, in denen die Muschel anaerob geatmet hat, lassen sich an den anders gefärbten

Wachstumsringen (Mangel an Mineralstoffen) der Schale leicht ablesen.9 Studien konnten diese Defizitphasen mit den Sauerstofflöchern in Verbindung bringen.

Als Konklusion lässt sich festhalten, dass das Sauerstoffloch für pelagische wie benthalische Organismen nachteilig ist, da diese überwiegend eine aerobe Lebensweise betreiben. Höchstens anaerobe Bakterien, die in der Zehrschicht aggieren, haben ein größeres Nahrungsangebot im Bereich des Detritus.

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