Ökologische Aspekte der Fließgewässer

Ökologische Aspekte der Fließgewässer

I Einleitung

„Fließgewässer sind eine sehr heterogene Gruppe von oberflächlichen Abflussgerinnen, die von ihrem Ursprung, den Quellregionen, mit meist abnehmendem Gefälle die Landschaft durchziehen und in den Meeren unter Ausbildung einer charakteristischen Übergangszone des limnischen Flussystems zum marinen Küstenbereich münden.“ (Günter Gunkel 1996) Mit dieser Definition erfasst der Autor Günter Gunkel zwar die morphologischen und teilweise auch physikalischen Aspekte von Fließgewässern, jedoch vernachlässigt er die ökologischen Faktoren eines Fließgewässers, mit welchen ich mich in dieser Ausarbeitung beschäftigen werde. Ein besonderes Augenmerk möchte ich dabei auf den Prozess der Selbstreinigung von Fließgewässern legen, da dieses Thema aus ökologischer Sicht betrachtet zum einen sehr interessant ist und zum anderen durch neueste Untersuchungsergebnisse einiger ins Abwasser gelangender Stoffe (Kohlenstoffverbindungen mit hormonähnlichen Eigenschaften) auch wieder in den gesellschaftlichen aktuellen Blickpunkt gerät.

II Aufteilung eines Fließgewässers

Wie der Name Fließgewässer schon erahnen lässt stellt die Strömung eine zentrale Eigenschaft dieses Gewässertyps dar, welche ihn von anderen Binnengewässern unterscheidet. So gibt es bedingt durch diesen Faktor, anders als bei Seen, keinen vertikalen Gradienten, da die Strömung das Wasser in Fließgewässern ständig durchmischt . Das heißt, um es zu verdeutlichen, dass das Wasser in „Bodennähe“ (sprich am Gerinnebett); auch Benthal genannt die annähernd gleiche Zusammensetzung besitzt wie das so genannte Pelagial (Freiwasser). Berücksichtig man jedoch auch das Licht in Bezug auf die Zusammensetzungen von Pelagial und Benthal, so muss man einräumen, dass durchaus ein vertikaler Gradient in Fließgewässern zu finden ist. Dieser Aspekt wird jedoch meistens bei der Einteilung bzw. Zonierung dieser Gewässertypen vernachlässigt, da dieser nur bei sehr großen und tiefen Flüssen (wie z.B. bei der Elbe) eine Rolle spielt. Aufgrund dieses Faktors Strömung unterteilt man ein Fließgewässer ökologisch betrachtet nach dessen Längsschnitt in Oberlauf, Mittellauf und Unterlauf. Jeder dieser drei Zonen weißt unterschiedliche aber

2

Ökologische Aspekte der Fließgewässer

gleichzeitig charakteristische Faktoren auf welche sich direkt auf deren einzelne ökologische Zusammensetzungen des dort befindlichen Wassers auswirken. So z.B. ist der Oberlauf meistens durch seine Quellregion gekennzeichnet welche wiederum durch den Quelltyp bestimmt werden. „Die Verschiedenartigkeit der Quellen und die unterschiedlichen Qualitäten (Regenwasser, nährstoffreiches Schichtwasser, protonenreicher Moorabfluß, nährstoffarmes Grundwasser) führen bereits zu erheblichen Unterschieden…..(Günter Gunkel 1996). So ist zum Beispiel eine Quellregion, welche von einer Quelle mit Grundwasser gespeist wird nährstoffarm, da dieses Grundwasser im Regelfall eine sehr lange Zeit unterirdisch verbracht hat und somit nur einen geringen Sauerstoffgehalt besitzt. Dieser geringe Sauerstoffgehalt des Grundwassers ist dafür verantwortlich, dass wiederum nur wenige angepasste Organismen in diesem Wassertypus leben können und dieser somit also nährstoffarm bezeichnet werden kann. Auf die stofflichen und organischen Zusammensetzungen der Fließgewässer werde ich noch tiefergreifend in dieser Arbeit eingehen. Aufgrund der Tatsache, dass in Quellregionen meistens nur ein leichtes Gefälle vorherrscht und das Quellwasser eher in kleinen Bächen oder Rinnsalen abfließt, besitzt das dortige Wasser auch nur eine geringe Strömung und auch nur wenige Turbulenzen. Dies wiederum ist dafür verantwortlich, dass das Wasser in dieser Region als sauerstoffarm bezeichnet wird, da dieses ja nicht aus der Atmosphäre mit Hilfe starker Strömungen und somit den daraus resultierenden Turbulenzen in das dortige Gewässersystem gelangen kann.

Der Oberlauf allerdings wird durch ein starkes Gefälle geprägt und die hohe Fließgeschwindigkeit führt, aufgrund der zuvor erörterten Faktoren, zu einem erhöhten Sauerstoffgehalt des Wassers und gleichzeitig zu einer ausgeprägten Tiefenerosion des Flussbettes. Auch hier gibt es aufgrund der veränderten stofflichen Zusammensetzung charakteristische vorherrschende Organismen und anorganische Substanzen welche die Eigenschaften des Oberlaufes charakterisieren. Auf die einzelnen Stoffe werde ich im Laufe dieser Arbeit Bezug nehmen.

Im Mittellauf eines Flusses nimmt das Gefälle wieder ab und somit lässt auch die Erosionskraft nach, welches zu einer Sedimentation der im Oberlauf mitgeführten Gerölle und Schwebstoffe führt. Dadurch steigen jedoch die Turbulenzen in diesem Abschnitt des Gewässers an und es kommt vermehrt zu einem Sauerstoffeintrag aus der Atmosphäre. Die Ausbildung Typischer Formen in den einzelnen Gewässerabschnitten (so wie in diesem Fall die Ausbildung von Auen usw.) werden in dieser Arbeit vernachlässigt. Der Unterlauf eines Flusses wird auch wieder durch die Sedimentation dominiert und besitzt eine meistens noch geringere Strömungskraft als im Mittellauf. Dies hat wiederum zur Folge, dass sich das dort befindliche Wasser erwärmen kann und durch den vielen Stofftransport in

3

Ökologische Aspekte der Fließgewässer

den obigen Flussabschnitten es als nährstoffreich bezeichnet wird. Durch diese günstigen Faktoren bilden sich vermehrt Algen und die Intension der Primärproduktion beginnt. Der Sauerstoffgehalt wird dabei nun durch Produktion und Respiration (Veratmung durch Organismen) bestimmt. Dazu jedoch mehr im weiteren Verlauf meiner Arbeit. Ich habe mich in dieser Arbeit mit der Einteilung eines Fließgewässers in verschieden Längszonen befasst, da diese für den gesamten ökologischen Prozess der Selbstreinigung eine gewichtige Rolle spielen. So wird sich später in dieser Arbeit heraus stellen, dass auch dieser Prozess an die einzelnen Zonen eines Fließgewässers angepasst ist und auch selbst Zonen ausbildet. Die sehr weitgreifenden morphologischen Aspekte dieser Einteilungskriterien habe ich jedoch nicht bearbeitet, da dies den Rahmen meiner Ausarbeitung sprängen würde und im Eigentlichen einer eigenständigen Hausarbeit bedarf.

III Ökologie eines Fließgewässers

Das ökologische System eines Fließgewässers wird als offen beschrieben, da es zusätzlich zu seinem „internen Stoffkreislauf“ durch zahlreiche äußere Einflussfaktoren bestimmt wird. Unter einem ökologischen System versteht man zunächst einmal die Vernetzung einzelner stofflicher und organischer Kreisläufe untereinander; innerhalb eines Bezugsystems. Ich möchte nun, soweit es die Ausarbeitung meines Themas erlaubt einzelne ökologische Bestandteile und Faktoren eines Fließgewässers näher betrachten und deren Einflussvermögen auf die Eigenschaften eines solchen Gewässersystems veranschaulichen.

III.I Stofflhaushalt von Fließgewässern

„Stoffhaushalt ist die Summe des Stoff-und Energieumsatzes in einem Ökosystem.“ (Jürgen Schwoerbel 1999). Anhand des Stoffhaushaltes von Gewässersystem lassen diese sich wunderbar Kategorisieren bzw. bezüglich ihrer einzelnen physikalischen aber auch ökologischen Eigenschaften beurteilen. Anders als bei terrestrischen Ökosystemen lässt sich der Stoffhaushalt nicht allein auf die Feststellung der in ihm gelösten Inhaltsstoffe, deren räumlicher Schichtung und zeitlicher Verteilung beschränken. In aquatischen Systemen spielen vor allem kleinste Organismen in den verschiedensten Stoffkreisläufen eine fundamentale Bedeutung für das jeweilige Ökosystem. Zwar stellen in Fließgewässern die eben angesprochenen Mikroorganismen größenmäßig betrachtet einen sehr geringen

4

Ökologische Aspekte der Fließgewässer

Prozentsatz im Vergleich zu den sonstigen mitgeführten Stoffen dar, aber ihr biologische Leistungen sind auch für dieses Gewässersystem unabdingbar und effizient von Nöten.

Nach Schwoerbel sind die Grundlagen eines jeden Stoffhaushaltes von Gewässern folgende: 1. Das Wasser als Lösungs-und Transportmittel 2. Die gelösten und partikulären Stoffe im Wasser 3. Die Organismen im Gewässer

Im Folgenden möchte ich also näher auf die einzelnen Bestandteile und Stoffe der Fließgewässer eingehen, wobei ich natürlich nur solche näher betrachten werde, welche speziell für den Selbstreinigungsprozess relevant sind, da die Arten- und Stoffvielfalt eines solchen großen ökologischen Systems nur schwer zu beschreiben ist.

III.II Im Wasser gelöste Gase

Da die Löslichkeit der sich im Wasser befindlichen Gase stark durch die Temperatur bestimmt wird (je kälter das Wasser und je höher der Druck desto höher wird die Löslichkeit), ist dieser Prozess, genau wie viele andere auch stark von äußeren Faktoren abhängig. Die Konzentration der einzelnen gelösten Gase wird demnach durch die vorherrschende Temperatur des Wassers und den dort ansässigen Druck bestimmt. Dieses Hintergrundwissen ist insofern wichtig, da die verschiedenartigen Organismen an spezielle Gaskonzentrationen angepasst sind und nur bei solchen auch überlebensfähig sind. Ändert sich also die Temperatur oder der Druck im Wasser so hat dies nicht nur direkte Auswirkungen auf die Gaskonzentration sondern indirekt auf das komplette Ökosystem eines Fließgewässers. Die wichtigste Rolle der im Wasser gelösten Gase kommt hierbei dem Sauerstoff zu, welcher für viele Stoffwechselkreisläufe benötigt wird und auch verantwortlich für die Artenvielfalt eines Gewässers ist. Ein Fluss oder Bach erhält seinen Sauerstoff grob betrachtet auf dreierlei Arten. Zum einen erhält er diesen direkt aus der Atmosphäre, an welchen er mit steigenden Turbulenzen und Strömungen gelangt ( Turbulenzen vermischen atmosphärischen Sauerstoff mit dem Gewässer) und zum anderen erhält er seinen Sauerstoff durch Photosyntheseprozesse. Unter Umständen kann er auch einfach 0 2 von einem weiteren Zufluss erhalten. Verbraucht wiederum wird der Sauerstoff durch Atmung einzelner Lebewesen und durch den Abbau organischer Substanzen durch Mikroorganismen. Ein verschwindend geringer Teil wird wieder an die Atmosphäre durch Diffusion und andere physikalische Vorgänge abgegeben. Die Zu- oder Abnahme der Sauerstoffkonzentration in den einzelnen Fließgewässern unterliegt tageszeitlichen Schwankungen. So wird zum Beispiel der am Tage durch Photosyntheseprozesse gebildete Sauerstoff in den Nachtstunden

5

Ökologische Aspekte der Fließgewässer

aufgebraucht. Im Idealfall reicht jedoch der am Tage produzierte Sauerstoffgehalt aus um die organischen Prozesse in der Nacht mit diesem zu versorgen. Ist dies aufgrund einiger anderer Faktoren der Fall, auf welche ich bei der Bearbeitung des Selbstreinigungsprozesses zu sprechen komme, können unter Umständen Sauerstoffdefizite auftreten. Ein weiteres wichtiges Gas, welches in dem Wasser von Fließgewässern gelöst ist, stellt das Kohlendioxid dar. Das CO 2 gelangt zum Teil aus der Atmosphäre in die einzelnen Gewässer , wird über Niederschläge an diese abgegeben, aber der größte Teil des gelösten Gases entsteht durch den Abbau organischer Substanzen durch Mikroorganismen, welche beim Selbstreinigungsprozess eine fundamentale Rolle spielen und das Kohlenstoffdioxid als Abfallprodukt produzieren. Verbraucht wiederum wird dieses Gas vermehrt durch die einzelnen Photosynthesen in einem Gewässersystem sowie durch eine eher zu vernachlässigende Diffusion in Richtung Atmosphäre. Der CO 2 Gehalt eines Wassers ist also auch ähnlich wie der Sauerstoff eine Art Indikator für dessen Qualität. Denn nur durch ihn können ebenso wie bei dem 0 2 verschiedene Stoffwechselprozesse von statten gehen, wobei hier der Photosyntheseprozess als Sauerstofflieferant und Kohlenstoffdioxid „Verzehrer“ deutlich in den Vordergrund gerückt werden muss.

Der Stickstoff als Gas, welcher im Volksmund essentiell für die pflanzliche Primärproduktion verantwortlich ist, stellt jedoch im Stoffhaushalt eines Fließgewässers, in seiner reinen Gasform eher eine unbedeutende Rolle. Der reine gelöste Stickstoff kann nur durch sehr wenige Bakterien direkt aufgenommen werden und kann deshalb auch nicht direkt den einzelnen Pflanzen als Nahrungsmittel dienen. Eine viel größere Bedeutung des Stickstoffes kommt diesem in anderen Verbindungen zu Teil, die jedoch anhand ihrer Zusammensetzungen als Feststoffe betrachtet werden müssen.

III.III Gelöste Feststoffe im Wasser

Wie schon eben erwähnt kommt der Stickstoff in zahlreichen Verbindungen im Gewässer vor. Hier eine kurze Liste der Stickstoffverbindungen in einem Fließgewässer: -Er kommt anorganisch als Nitrat, Nitrit und Ammonium vor

-Organisch als Zwischenstufe des mikrobiellen Eiweißabbaus oder als Exkretionsprodukt tierischer Konsumenten

Die zuvor dargelegten anorganischen Stickstoffverbindungen Ammonium und Nitrat stellen in einem Gewässersystem eine grundlegende Stickstoffverbindung für photoautotrophe Pflanzen (Pflanzen, die aus Licht und anorganischen Materialien Sauerstoff und andere Stoffe produzieren können) dar, welche diesen als Nahrungsgrundlage verwerten. „Ammonium kann von vielen Algen […] und höheren Wasserpflanzen direkt aufgenommen

6

Ökologische Aspekte der Fließgewässer

werden“(Schwoerbel 1999), wobei es jedoch in einem unbelasteten Fließgewässer nur in unbedeutenden Maßen vorkommt und der dortige „Stickstoff-Hauptlieferant“ Nitrat ist. Nur in organisch belasteten Fließgewässern steigt die Konzentration von Ammonium stark an, vor allem unterhalb der Einleitung solcher organisch belasteter Abwässer. Trotzdem sind sämtliche Stickstoffverbindungen in irgendeiner Weise an fast allen Stoffumsatzprozessen eines Fließgewässers beteiligt, denn sie dienen als „Makronährstoff“ für sie viele Tiere und Pflanzen genauso wie der Phosphor. Ihre Konzentration ist demnach ausschlaggebend für die Primärproduktion in einem Gewässersystem und entscheidet also über die produzierte Biomasse in solch einem System.

Der Phosphor in anorganischen Verbindungen stellt ähnlich wie der Stickstoff eine Nahrungsgrundlage für viele in einem Gewässer befindlicher Lebewesen dar. Jedoch ist dieser in den meisten Fließgewässern, sofern diese unbelastet sind, nur in geringeren Konzentrationen enthalten. Die steigende Konzentration von diesen Verbindungen wird meistens auf eine Abwassereinleitung zurückgeführt und führt ähnlich wie beim Stickstoff zu einer vermehrten Produktion von Biomasse, da nun die Pflanzen einen weiteren Nährstoff erhalten. Das heißt, mit steigender Phosphorkonzentration steigt auch die Primärproduktion und diese steigende Konzentration wird verantwortlich für den Prozess der Eutrophierung von Fließgewässern gemacht, auf welchen ich explizit im weiteren Verlauf meiner Ausarbeitung unter dem Punkt Gewässerbelastungen eingehen werde. Diese kleine Auswahl an gelöster Stoffe in einem Fließgewässer wird noch ergänzt durch weitere Verbindungen wie zum Beispiel des Schwefels aber auch Eisen und Mangan sowie Siliciumverbindungen, auf welche ich jedoch nicht näher eingehen möchte. All diese eben aufgelisteten Stoffkonzentrationen, sei es von Gasen oder aber von Festoffen, werden bei einem Fließgewässer sehr stark von verschiedenen Einflussfaktoren bestimmt wie zum Beispiel durch Verdunstung, Lösungsvorgänge und Ausfällung Adsoprtion und Desorption. So unterscheiden sich aride Flüsse bezüglich ihrer stofflichen Eigenschaft enorm von Flüssen in humiden Räumen, da sie dort im Vergleich einer höheren Verdunstungsrate existieren, welche zum einen Auswirkungen auf die Wasserführung hat und zum anderen Einfluss auf die chemischen Prozesse eines solchen Flusses nimmt. So rückt zum Beispiel der chemische Prozess der Ausfällung in ariden Räumen in den Vordergrund wobei in einem „humiden Fluss“ die Stoffkonzentrationen vorwiegend vom Niederschlag und anderen Zuflüssen bestimmt werden. Zu dem muss man bei einem Fließgewässer berücksichtigen, dass all diese Umwandlungsprozesse einzelner Stoffe nie stationär ablaufen können sondern immer an unterschiedlichen Orten; -Zonen-, ablaufen und es dadurch zu einer immer anhaltenden Umlagerung solcher Stoffe kommt. Von diesen Umlagerungsprozessen sind

7

Ökologische Aspekte der Fließgewässer

jedoch auch die biologischen Faktoren betroffen wie zum Beispiel Kleinstlebewesen, Mikroorganismen uva. welche in einem Prozess der Produktion, Konsumption und Destruktion miteinander in Verbindung stehen.

III.IV Biogene Stoffkreisläufe/Stoffhaushalt

Ich möchte in diesem Kapitel nur einen sehr groben Überblick über die sehr diffizilen Abhängigkeiten einzelner biologischer Lebewesen und deren Produktionskreisläufe geben, da dies ein sehr komplexes Thema darstellt aber zugleich eine fundamentale Rolle in dem „Ökosystem Fliegewässer“ übernimmt.

Im Allgemeinen betrachtet beinhaltet der Stoffkreislauf aus biologischer Sicht einen Kreislauf zwischen Produzenten, Konsumenten und Destruenten, welche aufgrund ihrer speziellen biologischen Eigenschaften direkt den biogenen Stoffumsatz eines Fließgewässers bestimmen. Alle diese drei Gruppierungen von Lebewesen nehmen jedoch grob betrachtet auf dieselbe Art und Weise an diesem prozessgebunden Kreislauf teil, indem sie all ihre Nahrungsstoffe und ihre Energie aus der Umgebung beziehen und dabei „spezifische Biomasse“ bilden. Unterschieden werden diese Organismen jedoch bezüglich ihrer Teilnahme an diesem stoffgebundenen Kreislauf.

Produzenten: Als Produzenten bezeichnet man größtenteils solche Organismen, die an dem

Aufbau der Biomasse im Sinne der Primärproduktion beteiligt sind. Dabei verwandeln diese Lebewesen anorganisches Material, wie zum Beispiel die erwähnten Stickstoff oder Phosphorverbindungen, in organische Stoffe. Um dies zu gewährleisten bedienen sie sich jedoch der Strahlung des Lichts als zusätzlichen Energiefaktor. Aus diesem Grund bezeichnet man die Organismen, welche an der Primärproduktion teilnehmen als photoautotrophe Organismen. Nur sie sind in einem Fließgewässer für die Neubildung organischer Substanz verantwortlich.

Konsumenten: Konsumenten beziehen ihre Energie aus den organischen Schwebstoffen die vorwiegend von den Produzenten durch Photosyntheseprozesse produziert wurden. Sie bilden daher nicht neues organisches Material aus, sondern formen dieses vielmehr um und zersetzen die vorhanden org. Substanzen zu anderen organischen Materialien. Sie sind dementsprechend Lebewesen die ihren Stoffwechsel auf das Vorhandensein anderer Lebewesen (den photoautorophen) angepasst haben.

Destruenten: Diese Lebewesen gewinne ihre Energie ähnlich den Konsumenten aus vorhanden Substanzen. Der Unterschied besteht darin dass diese Organismen nicht nur organisches sondern auch anorganisches Material bei ihrer Energiegewinnung umwandeln

8