Eutrophierung eines Sees

Eutrophierung eines Sees Übung

• Erstelle eine Übersicht über geeignete Maßnahmen gegen einen „umkippenden“ See.

  Tipps

  Faulschlamm wird gebildet, wenn den Destruenten (Zersetzern) am Boden des Sees $O_2$ fehlt und sie auf anaerobe Zersetzungsprozesse zurückgreifen müssen.

  Bei einer Ausfällungsreaktion bildet sich ein sogenannter „Niederschlag“. Der ausgefällte Stoff ist also an einen anderen gebunden, es bildet sich ein Feststoff.

  Lösung

  Dass die Eutrophierung bei jedem See früher oder später stattfindet, wissen wir nun. Dass sie durch den Menschen beschleunigt werden kann, ist ein großes Problem. Dünger und Abwässer, die in den See eingeleitet werden, aber auch die Fütterung von Fischen und Wasservögeln und der Urin, der in vielgenutzten Badeseen leider auftritt, sind die häufigsten Ursachen.

  Zum Glück gibt es geeignete Gegenmaßnahmen:

  • Der Nährstoffeintrag, der den Eutrophierungsprozess anstößt, sollte vermindert oder ganz unterbunden werden, indem beispielsweise die Düngung nahe dem See unterbleibt oder Abwasser gereinigt wird.
  • Eine künstliche Belüftung bringt wieder Sauerstoff in die untere Schicht des Sees. Ist der $O_2$-Gehalt hoch genug, wird kein Faulschlamm gebildet. Denn dieser ist ein Produkt von anaeroben (= ohne Vorhandensein von $O_2$) Abbauprozessen.
  • Sediment und Faulschlamm kann abgesaugt bzw. ausgebaggert werden. Das ist wichtig, denn Faulschlamm ist giftig.
  • Das Ausfällen von Phosphat bindet den Pflanzennährstoff, sodass er nicht mehr für das Algenwachstum zur Verfügung steht. Also eine Maßnahme gegen die Algenblüte. Es wird normalerweise (bei ausreichendem $O_2$-Gehalt) im Boden gebunden.
  • Auch das Entfernen von Algen ist eine geeignete Maßnahme, die entweder chemisch oder durch Mikrosiebung bewerkstelligt werden kann.
  • Man kann auch den Lichteinfall vermindern, z. B. durch die Beschattung von Bäumen. Das würde die Fotosyntheseleistung der Algen verringern und somit das Algenwachstum.

  Die Maßnahmen sind vielfältig, aber aufwendig und teuer. Besser ist es, wenn der Einfluss des Menschen auf das Ökosystem See von vornherein gering bleibt und kein Abwasser eingeleitet wird.
  Auch das Füttern mit Brot kann den Prozess beschleunigen. Wenn du also das nächste Mal Enten füttern möchtest, achte darauf, dass sie das Brot auch fressen. Sonst sinkt es einfach auf den Grund des Gewässers und begünstigt womöglich die Bildung von Faulschlamm.

• Beschreibe die Phosphatfalle.

  Tipps

  Ist genügend $O_2$ im See vorhanden, werden die 2-fach positiv geladenen Eisen-Ionen oxidiert. Sie geben dabei ein Elektron ab und sind 3-fach positiv geladen:
  Oxidation: $Fe^{2+} \longrightarrow Fe^{3+} + e^−$.

  Die Fällungsreaktion, die bei der Phosphatfalle entscheidend ist, lautet:
  $Fe^{3+} + PO_4^{3-} \longrightarrow FePO_4$.

  Phosphat-Ionen ($PO_4^{3-}$) sind z. B. für Algen ein wichtiger Nährstoff. Ist der Phosphat-Gehalt hoch, vermehren sich die Algen stark (Algenblüte).

  Lösung

  Die Phosphatfalle beschreibt die Ablagerung von Phosphat in Form von $FePO_4$ (Eisenphosphat) in das Sediment eines Sees. Dies passiert aber nur, solange genügend Sauerstoff im See vorhanden ist. Nur dann wird $Fe^{2+}$ zu $Fe^{3+}$ oxidiert (Abgabe eines Elektrons) und es kann sich mit $PO_4^{3-}$ verbinden.
  (Beachte die Ladungen! Das geht natürlich nur, wenn die Eisen-Ionen 3-fach positiv und die Phosphat-Ionen 3-fach negativ geladen sind.)

  Ist kein $O_2$ mehr über dem Seeboden vorhanden, werden die Eisen-Ionen reduziert. Sie sind dann nur noch 2-fach positiv geladen ($Fe^{2+}$). Dies hat zur Folge, dass die „gebundenen“ Phosphat-Ionen freigesetzt werden.
  Das Phosphat steht dem Nährstoffkreislauf wieder zur Verfügung. Wenn das Wasser des Sees im Herbst und im Frühling durchmischt wird (Zirkulation), gelangen die Phosphat-Ionen in die oberflächennahe Wasserschicht (Epilimnion). Sie dienen den dort befindlichen Algen als Nahrung. Es kommt zur Algenblüte, also zum starken Algenwachstum.

• Charakterisiere einen oligotrophen und einen eutrophen See.

  Tipps

  Die Sichttiefe gibt an, wie weit man nach unten in einen See schauen kann, also wie klar das Wasser ist. Je mehr Nährstoffe in einem See enthalten sind, umso mehr Algen beherbergt er im Epilimnion, der obersten Wasserschicht.

  Wenn viele Algen im Epilimnion wachsen, ist die Sicht begrenzt. Dafür ist in dieser Schicht dann der Sauerstoffgehalt ziemlich hoch, da Algen Fotosynthese betreiben.

  Lösung

  Ein oligotropher See enthält wenig Nährstoffe, der $O_2$-Gehalt ist dafür im ganzen See ziemlich hoch. Aufgrund der wenigen Nährstoffe wachsen nicht viele Algen, das begünstigt die Durchlichtung (das Sonnenlicht kann tiefer in den See eintauchen) und auch die Sichttiefe ist hoch. Ebenso die Artenvielfalt der Tier- und Pflanzenwelt, wobei die Individuenzahl eher gering ist. Die hohe $O_2$-Konzentration verleiht dem oligotrophen See eine bläuliche Färbung.

  Ein eutropher See zeichnet sich durch einen hohen Nährstoffgehalt aus. Dies begünstigt starkes Algenwachstum, welches vornehmlich im Epilimnion stattfindet, da hier noch ausreichend Sonnenlicht vorhanden ist. Deshalb ist der $O_2$-Gehalt nur in der oberflächennahen Schicht hoch. Die Sichttiefe ist wegen der vielen Algen gering. Sie verleihen dem eutrophen See außerdem eine grünlich-trübe Färbung. Eine Algenblüte (übermäßiges Algenwachstum) tritt häufig auf.

• Erkläre die Entstehung eines „umkippenden“ Sees.

  Tipps

  Algen bilden die Nahrungsgrundlage vieler Fische und Seevögel.

  Wenn die Population der Fische und Seevögel steigt, steigt auch der Anteil der toten Biomasse (durch Algenfraß und sterbende Tiere).

  Algen betreiben Fotosynthese. Dabei wird $O_2$ gebildet. Bei der Zellatmung wird dagegen $O_2$ verbraucht.

  Ist $O_2$ vorhanden, nutzen Destruenten (Zersetzer) diesen für Abbauprozesse. Ist dagegen der $O_2$-Gehalt gering, bringen die Zersetzungsprozesse giftige Verbindungen (z. B.$H_2S$ oder $CH_4$) hervor.

  Lösung

  Eine Eutrophierung beginnt stets mit dem erhöhten Eintrag von Nährstoffen, vor allem Phosphat ($PO_4^{3-}$). Dies begünstigt das Algenwachstum. Es kommt zur Algenblüte. Da die Algen die Nährstoffgrundlage für viele Fische und Vögel bilden, steigen auch sie aufgrund des steigenden Nahrungsangebotes zahlenmäßig an. Mehr Biomasse wird gebildet, mehr Biomasse stirbt aber auch ab. Das tote organische Material (TOM) sinkt auf den Seeboden und wird aerob (im Vorhandensein von $O_2$) zersetzt. Doch wenn die Algen gefressen werden und gleichzeitig die Zahl der atmenden Tiere ansteigt, sinkt der $O_2$-Gehalt, vor allem in der unteren Schicht des Sees. Dies führt dazu, dass die Destruenten die Abbauprozesse von aerob auf anaerob (ohne Vorhandensein von $O_2$) umstellen. Dabei bilden sich giftige Gase. Zusätzlich bildet sich Faulschlamm, da die Destruenten das viele TOM gar nicht so schnell abbauen können. Aufgrund der giftigen Gase und des geringen bis kaum existenten $O_2$-Gehalts stirbt ein Großteil der Tier- und Pflanzenwelt ab. Der See ist nahezu ausgestorben und ungenießbar – der See ist „umgekippt“.

• Definiere den Begriff Eutrophierung.

  Tipps

  Eutrophierung findet bei jedem See statt. Ohne den Einfluss des Menschen kann der Prozess mehrere hundert Jahre dauern.

  Lösung

  Der Prozess der Eutrophierung ist der Übergang von Nährstoffarmut zu Nährstoffreichtum, wobei Phosphat der limitierende Pflanzennährstoff ist.

  Alle oligotrophe stehende Gewässer (neben Seen auch Tümpel, Teiche und Weiher) unterliegen dem Prozess der Eutrophierung. Er kann durch den Einfluss des Menschen stark beschleunigt werden, z. B. durch übermäßige Düngung oder Einleitung von Abwasser.

  Als Folge von Eutrophierung tritt starkes Algenwachstum auf, der Sauerstoffgehalt sinkt, es kommt zur Faulschlammbildung, zur Bildung giftiger Gase und schließlich zum Aussterben der meisten Tiere und Pflanzen des Sees.

  Gegenmaßnahmen sind z. B. die Verringerung des Nährstoffeintrags (weniger Düngung bzw. Abwasser), Zufuhr von Frischwasser, Entfernen von Algen, Beschattung, Ausbaggern von Schlamm und Sediment.

  Die Ostsee ist ein Beispiel für ein eutrophiertes Binnenmeer.

• Prüfe, ob ein flacher See ein größeres Eutrophierungsrisiko hat als ein tieferer See.

  Tipps

  Die Beschaffenheit des Sees, vor allem seine Tiefe, ist ein entscheidender Faktor für den Prozess der Eutrophierung.

  Gelangen Nährstoffe in den See, sinken sie auf den Grund des Sees (Hypolimnion).

  Algen (Phytoplankton) leben im Epilimnion.

  Lösung

  Ein Nährstoffeintrag in kleine und flache Gewässer führt schneller zu einer Erhöhung der Trophie als in großen und tiefen Gewässern. Ein flacher, kleiner See eutrophiert also schneller.

  Doch warum ist das so?

  Tatsächlich sorgt die Temperaturschichtung (siehe Abbildung oben) dafür, dass ein tieferer See unempfindlicher gegenüber Nährstoffeinträge ist als ein flacher See. Das Epilimnion ist warm und wird vom Wind durchmischt. Da die Sprungschicht (Metalimnion) das Epi- vom Hypolimnion trennt, ist das Hypolimnion wesentlich kälter (~ 4°C) und wird nicht durchmischt.

  Kommt es in einem tiefen See also zu einem Nährstoffeintrag, sinken diese genauso in das Tiefenwasser wie abgestorbenes Tier- und Pflanzenmaterial. Sie werden also dem Stoffkreislauf der produktiven Oberflächenschicht (Algen betreiben Fotosynthese) entzogen. Den Algen fehlen die nötigen Nährstoffe, um sich übermäßig zu vermehren.

  Das sieht bei einem flachen See schon anders aus, denn hier findet die oben beschriebene Trennung der Wasserschichten nicht statt. Nährstoffeinträge werden dem Nährstoffkreislauf zugeführt, auch totes organisches Material wird über Destruenten zersetzt und bleibt dem Kreislauf aufgrund der fehlenden räumlichen Trennung erhalten.

  Flache Seen haben somit meist eine höhere Trophie als tiefe Seen mit Temperaturschichtung.
  Diese Erkenntnis ist wichtig, wenn man im Garten einen Teich hat (also quasi einen sehr flachen See). Schon wenige Blätter, die in den See fallen und Nährstoffe enthalten, können den Prozess der Eutrophierung stark beschleunigen.