Wie verbessern wir den Zustand unserer Seen?

Ein guter ?kologischer Zustand von Seen ist ein zentrales Ziel der EU-Wasserrahmenrichtlinie. Durch eine Verminderung der N?hrstoffeintr?ge wird die Gew?ssergüte von Seen langfristig verbessert. Zus?tzliche See-interne Verfahren k?nnen die Besserung beschleunigen.

Inhaltsverzeichnis

 

Zustand der Seen in Deutschland

Nur etwa 26 % der Seen in Deutschland weisen gegenw?rtig einen ?sehr guten“ oder ?guten“ ?kologischen Zustand auf. Mehr als ein Drittel unserer Seen ist nach ⁠Wasserrahmenrichtlinie⁠ (WRRL) als ?unbefriedigend“ oder ?schlecht“ klassifiziert (Die Wasserrahmenrichtlinie, Deutschlands Gew?sser 2015), weil zu viele N?hrstoffe (vor allem Phosphor) sie belasten und ihre Ufer unter Freizeitaktivit?ten sowie Besiedlung leiden.

 

Eutrophierung – Hauptursache des unbefriedigenden oder schlechten ?kologischen Zustands der Seen

Das Verfehlen des guten ?kologischen Zustands geht überwiegend auf das Wachstum des Phytoplanktons (Algen), des Phytobenthos und der Makrophyten (am Gew?sserboden vorkommende Algen und Wasserpflanzen) zurück (Abb. 1). Zus?tzlich beeinflussen Ver?nderungen und Verbauung der Seeufer die natürliche Funktionsweise von Seen und k?nnen zum Verlust von Uferlebensr?umen und damit zu ?kologischen Defiziten führen.

In den letzten 30 Jahren wurden die Eintr?ge von Phosphor(P) um 70 % und von Stickstoff (N) um 50 % reduziert, weil die Kl?ranlagen heute fast fl?chendeckend N?hrstoffe entfernen. Trotzdem ist die Belastung mit Phosphor weiterhin zu hoch (siehe Indikator): Zu viele N?hrstoffe führen zu erh?htem Wachstum von Algen und k?nnen massenhafte Vermehrung, sog. Algenblüten, bewirken. Folgen sind auch das Auftreten von ⁠Cyanobakterien⁠ (Blaualgen), Artenverlust, Sauerstoffmangel und Fischsterben. Fachleute sprechen von ?Eutrophierung“: eine vom Menschen verursachte Erh?hung des N?hrstoffgehaltes in einem Gew?sser. Geringere Eutrophierung ist deshalb das Ziel moderner Bewirtschaftungskonzepte (Wasserwirtschaft in Deutschland, 2017; Hupfer et al., 2013). Die Diskrepanz zwischen dem rechtlich (EU-Wasserrahmenrichtlinie) festgelegtem Entwicklungsziel eines Gew?ssers und dem Ist-Zustand zeigt den Handlungsbedarf auf (siehe ?N?hrstoffklassifizierung“ in ?Zustand der Seen“).

Zustand einzelner Qualit?tskomponenten für Seen
Zustand einzelner Qualit?tskomponenten für Seen
Quelle: UBA
 

Externe Ma?nahmen zur Trophieminderung

Vorrangig ist, die externe N?hrstoffbelastung von Seen nachhaltig zu verringern (Seen-Sanierung). Alle Quellen sind zu betrachten: diffuse Eintr?ge aus der Landwirtschaft durch ⁠Erosion⁠, Drainage oder Oberfl?chenabfluss, Eintr?ge aus st?dtischer Mischwasserkanalisation, die bei Starkregenereignissen fast ungekl?rt in die Gew?sser gelangen oder punktuelle Einleitungen von Kl?ranlagen ohne dritte Reinigungsstufe. Nur eine Reduktion der Eintr?ge in die Gew?sser führt langfristig zu einer Verbesserung der Wasserqualit?t. Zentral sind hierbei die Phosphoreintr?ge.
Um die Auswirkungen dieser externen Ma?nahmen auf die Trophie eines Sees vorherzusagen, wird dessen hydrologische, physikalische, chemische und biologische Struktur untersucht (Nixdorf et al., 2013). Seen reagieren h?ufig verz?gert oder nicht in dem erwarteten Ausma? auf die Reduzierung (Kasprzak et al., 2018). Eingehende Untersuchungen des Sees und seines Einzugsgebietes (Zustandsanalyse, Bilanzierung des P-Haushaltes) helfen, Defizite und ihre Ursachen zu identifizieren (Hupfer et al., 2013; Schauser et al., 2002).

 

Gründe für die Anwendung See-interner Ma?nahmen zur Trophieminderung

Unter bestimmten Umst?nden k?nnen nach der Minderung externer Quellen auch See-interne Ma?nahmen zum Einsatz kommen (Seen-Restaurierung). Diese zielen darauf ab, die physikalische, chemische oder biologische Struktur eines Sees zu ver?ndern, um so die unerwünschte Wirkung einer zu hohen N?hrstoffbelastung zu vermindern (Lewandowski et al., 2013). See-interne Ma?nahmen k?nnen zur Anwendung kommen (Hupfer et al, 2013), wenn

  • die weitere Senkung externer Quellen mit enormen Aufwand verbunden ist, z.B. bei N?hrstoffanreicherung in B?den, deren Konzentrationen nur sehr langsam gesenkt werden k?nnen (Effizienzsteigerung).
  • die gew?sserinternen und/oder hydrologischen Verh?ltnisse einer raschen Verbesserung entgegenstehen, z.B. bei sehr langen Wasseraufenthaltszeiten, weshalb Seen bis zu Jahrzehnten verz?gert reagieren k?nnen (Zeitgewinn).?
  • das nichtlineare Verhalten von Seen kurzfristig eine wesentlich st?rkere Senkung der N?hrstoffkonzentration notwendig macht - um das System schneller von einem unerwünschten von Algen (Phytoplankton) dominierten, trüben Zustand in einen erwünschten von Wasserpflanzen (Makrophyten) dominierten, klaren Zustand zu überführen (Selbststabilisierung).
 

See-interne Ma?nahmen zur Trophieminderung

See-interne Ma?nahmen zielen darauf, den N?hrstoffgehalt im Gew?sser zu reduzieren oder die Organismenstruktur des Gew?ssers zu ver?ndern. Der P-Gehalt kann durch Erh?hung der P-Bindung im Gew?sser oder des P-Exports aus dem Gew?sser reduziert werden. Im Folgenden werden einige der g?ngigen See-internen Verfahren vorgestellt, wobei der Fachartikel von Lewandowski et al. (2013) als ma?gebliche Quelle diente:

Erh?hung der P-Bindung im Gew?sser

Um die P-Bindung im Gew?sser zu erh?hen, werden reaktive F?llmittel eingesetzt, die als wirksame Bestandteile Aluminium, Calcium oder Eisen enthalten. Diese Elemente kommen auch natürlicherweise in Sedimenten vor und fungieren als Bindungspartner für P, wobei deren Vorkommen durch die geogenen Verh?ltnisse im ⁠Einzugsgebiet⁠ bestimmt wird.

Die Anwendung von F?llmitteln zielt im Wesentlichen darauf ab,

(1) Den P-Gehalt in der Wassers?ule durch Sorption gel?sten Phosphats an das F?llmittel sowie durch Co-F?llung partikul?rer Wasserinhaltsstoffe w?hrend des Absinkens zu reduzieren.

(2) Die P-Bindekapazit?t der Sedimentoberfl?che zu erh?hen und so die P-Freisetzung zu verringern, die eine Folge des mikrobiell gesteuerten Abbaus organischen Materials am Gew?ssergrund ist.

Eine P-F?llung ist am effektivsten, wenn besonders viel P im ⁠Wasserk?rper⁠ gel?st und nicht in Planktonorganismen gebunden ist. Der Einsatz der verschiedenen F?llmittel ist bei fachgerechter Anwendung nicht toxisch (Bakker et al., 2016, Wauer & Teien, 2010; Wauer et al., 2009). Folgende grundlegende Eigenschaften sind jedoch zu beachten:

  • Al-haltige F?llmittel binden P auch unter reduzierenden Bedingungen, wie sie h?ufig im Sediment anzutreffen sind. Diese Verbindungen sind im Sediment nicht mobil.
  • Al-haltige F?llmittel werden bei pH-Werten unter 4?und über 9 gel?st und k?nnen dann toxisch wirken. Dies kann in Flachseen problematisch sein, wenn Sedimentpartikel aufgewirbelt werden und gleichzeitig hohe pH Werten durch die ⁠Photosynthese⁠ von Algen auftreten.
  • Ca-haltige F?llmittel besitzen eine geringere P-Bindekapazit?t im Vergleich zu den anderen F?llmitteln; durch Mineralisation und Alterung l?sst ihre P-Bindung relativ schnell nach.
  • Fe-haltige Verbindungen k?nnen unter reduzierenden Bedingungen wieder in L?sung gehen und den gebundenen P wieder freigeben. Diese Eigenschaft wurde lange Zeit als Nachteil angesehen. Der Einsatz Fe-haltiger F?llmittel wurde deshalb h?ufig mit einer Belüftung des Tiefenwassers kombiniert, was jedoch kaum positive Langzeiteffekte bewirkt.?
  • Die Redoxsensitivit?t des Fe ist insgesamt von Vorteil, weil
    i.?Eisen - solange im überschuss vorhanden - im Sediment mobil ist, stetig an die Sedimentoberfl?che gelangen kann und so eine hohe P-Bindef?higkeit der Sedimentoberfl?che sicherstellt.
    ii.?W?hrend der Schichtungsperiode in das Tiefenwasser freigesetzter P nicht wachstumswirksam ist und bei Sauerstoffzutritt zu Beginn der Vollzirkulation zusammen mit den Fe-haltigen Verbindungen wieder ausgef?llt wird.
    iii.?Unter anoxischen Bedingungen werden Fe-haltige Verbindungen reduziert zu Fe2+. Hohe Konzentrationen von gel?sten Fe2+- und Phosphat-Ionen im Porenraum des Sediments begünstigen die Bildung stabiler Fe-P Minerale, z.B. Vivianit (Rothe et al., 2014) und erh?hen so langfristig die P-Bindekapazit?t des Sediments.
 

Erh?hung des P-Exports aus dem Gew?sser

Bei geschichteten Seen kann der P-Export erh?ht werden, indem mit N?hrstoffen angereichertes Tiefenwasser abgeleitet wird. Im Sommer und Winter sind tiefe Seen geschichtet. Auf Grund des Algenwachstums im lichtdurchfluteten oberen Bereich der Wassers?ule im Frühjahr und Sommer verringert sich die Konzentration gel?sten Phosphats. Gleichzeitig führen die Sedimentation von Algen und deren mikrobieller Abbau zur? Freisetzung von N?hrstoffen im Tiefenwasser. Je gr??er die N?hrstoffanreicherung im Tiefenwasser, desto mehr P kann nun aus dem See entfernt werden, wenn man seinen natürlichen ⁠Abfluss⁠ gegen eine Leitung mit Tiefenwasser ersetzt.

 

Entschlammung/Sedimententnahme

Das Sediment ist in den allermeisten F?llen über das gesamte Jahr hinweg gesehen eine P-Senke und keine Netto-P-Quelle. Dies erkl?rt, warum Sedimententnahmen oft nicht den gewünschten Erfolg haben.

 

Biomanipulation

Die Idee der Biomanipulation besteht darin, die Nahrungskette auszunutzen, um so den Fra?druck auf das Phytoplankton zu erh?hen. Dies kann durch die Entfernung von Friedfischen, die sich von Zooplankton ern?hren, oder durch die St?rkung des Raubfischbestands erreicht werden. H?ufig springen aber andere Organismen (z.B. gro?es, r?uberisches Zooplankton) in die erhoffte Lücke.

Eine Unterdrückung des Phytoplanktons führt zu verbesserten Lichtbedingungen und kann die Besiedlung mit Makrophyten ausl?sen. Auch gezieltes Anpflanzen von Makrophyten kann ein Klarwasserstadium stabilisieren, sobald die Lichtbedingungen deren Vermehrung zulassen. Die wichtigsten positiven Rückkopplungseffekte von Makrophyten sind:

a)?N?hrstoffkonkurrenz zum Phytoplankton
b)?verminderte Resuspension von Sedimentpartikeln und den darin enthaltenen N?hrstoffen
c)?allelopathische Effekte, d.h. Abgabe chemischer Verbindungen, die das Wachstums anderer Algenarten hemmen
d)?Lebensraum für Zooplanktonorganismen, die sich vom Phytoplankton ern?hren

 

Belüftung, Zwangszirkulation

Eine Belüftung des Tiefenwassers oder eine Zwangszirkulation haben das Ziel, den ⁠Wasserk?rper⁠ zus?tzlich mit Sauerstoff zu versorgen und so den Lebensraum für Wasserorganismen zu vergr??ern. Eine Zwangszirkulation führt jedoch auf Grund der Aufhebung der ⁠Schichtung⁠ zu einem Transport von gel?sten N?hrstoffen in die oberen Wasserschichten, was das Phytoplanktonwachstum verst?rken kann. Auch ein Einsatz im Winter kann die natürlich auftretende Durchmischung des Wasserk?rpers f?rdern und zur Auffüllung des Sauerstoffvorrats beitragen.

Eine bessere Sauerstoffversorgung des Tiefenwassers oxidiert die Sedimentoberfl?che, was die Freisetzung von P aus dem Sediment d?mpfen kann. Auf Grund der Reversibilit?t dieser P-Bindung an oxidierte Fe- und Mn-Verbindungen und der geringen Eindringtiefe des Sauerstoffs in das Sediment, ist die zus?tzlich erreichbare P-Bindung gering und wirkt sich deshalb nicht trophiesenkend aus.

 

Quellenverzeichnis:

Bakker, E. S.; Van Donk, E. & Immers, A. K.: Lake restoration by in-lake iron addition: a synopsis of iron impact on aquatic organisms and shallow lake ecosystems, Aquatic Ecology, 50, 121-135, 2016.

Hupfer, M.; Gohr, F.; Krause, D.; Mathes, J.; Spieker, J.; Wanner, S. & Lewandowski, J.: Vorbereitung und Auswahl von Ma?nahmen zur Seentherapie, Korrespondenz Wasserwirtschaft, 6(12), 710-717, 2013.

Kasprzak, P.; Gonsiorczyk, T.; Grossart, H.-P.; Hupfer, M.; Koschel, R.; Petzoldt, T. & Wauer, G.: Restoration of a eutrophic hard-water lake by applying an optimised dosage of poly-aluminium chloride (PAC), Limnologica, 70, 33-48, 2018.

Lewandowski, J.; Hoehn, E.; Kasprzak, P.; Kleeberg, A.; Kurzreuther, H.; Lücke, N.; Mathes, J.; Meis, S.; R?nicke, H.; Sandrock, S.; Wauer, G.; Rothe, M. & Hupfer, M: Gew?sserinterne ?kotechnologien zur Verminderung der Trophie von Seen und Talsperren, Korrespondenz Wasserwirtschaft, 6(12), 718-728, 2013.

Nixdorf, B.; Rücker, J.; Dolman, A. M.; Wiedner, C.; Hilt, S.; Kasprzak, P.; K?hler, A.; Weyer, K. v. d.; Sandrock, S.; Scharf, E.-M. & Willmitzer, H.: Prozessverst?ndnis als Grundlage für die Gew?sserbewirtschaftung--Fallbeispiele für Limitation, Konkurrenz, ⁠Gew?sserstruktur⁠ und Nahrungsnetzsteuerung, Korrespondenz Wasserwirtschaft, 6(12), 693-701, 2013.

Rothe, M.; Frederichs, T.; Eder, M.; Kleeberg, A. & Hupfer, M.: Evidence for vivianite formation and its contribution to long-term phosphorus retention in a recent lake sediment: a novel analytical approach, Biogeosciences, 11, 5169-5180, 2014.

Schauser, I.; Mathes, J.; Scharf, B. & Hupfer, M: Entscheidungsfindung und Entscheidungshilfen bei der Seentherapie: Seentherapie: Grundlagen, Methoden, Perpektiven, Wasser und Boden, 54, 14-20, 2002.

Umweltbundesamt (Hrsg.): Die ⁠Wasserrahmenrichtlinie⁠ – Deutschlands Gew?sser 2015, 2016.

Umweltbundesamt (Hrsg.): Wasserwirtschaft in Deutschland – Grundlagen, Belastungen, Ma?nahmen, 2017.

Wauer, G. & Teien, H.-C.: Risk of acute toxicity for fish during aluminium application to hardwater lakes,
Science of the Total Environment, 408, 4020-4025, 2010.

Wauer, G.; Gonsiorczyk, T.; Hupfer, M. & Koschel, R.: Phosphorus balance of Lake Tiefwarensee during and after restoration by hypolimnetic treatment with aluminum and calcium salts, Lake and Reservoir Management, 25, 377-388, 2009.