Die Dead Zone durch den Mississippi. Entstehung, Auswirkungen und Bekämpfung

Inhalt

Abbildungsverzeichnis

1. Einführung und Problemstellung

2. Übersicht und geographische Prozesse
2.1 Der Mississippi
2.2 Das Meer und der Fluss - Deltas
2.3 Stratifizierung

3. Biologische und biochemische Prozesse
3.1 Die Mikrobiologie des Wassers - Plankton
3.2 Die Rolle von Phosphor und Stickstoff
3.2.1 Phosphor in Gewässern
3.2.2 Stickstoff in Gewässern
3.3 Eutrophierung

4. Die Entstehung der Dead Zone im Golf von Mexiko
4.1 Nährstoffeintrag
4.2 Prozesse im Ökosystem und Folgen

5. Bekämpfung der Dead Zone

6. Fazit und Ausblick

7. Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abb. 1: Schichten eines Deltas (Ahnert, 2015, S. 224)

Abb. 2: Klassifikation von Deltas (Dikau et al., 2019, S. 389)

Abb. 3: Vogelfuß-Delta des Mississippi (Strahler & Strahler, 2009, S. 626)

Abb. 4: Phosphorkonzentration im Oberflächenwasser (Wehrli, 1993, S. 10)

Abb. 5: Sauerstoffkonzentration im Tiefenwasser (Wehrli, 1993, S. 12)

Abb. 6: Der Stickstoffkreislauf (Wehrli, 1993, S. 28)

Abb. 7: Stufen der Trophie (Schönborn, 2003, S. 387)

Abb. 8: Quellen von Phosphor und Stickstoff (Mighty Earth, 2017, S. 6)

Aus Gründen der besseren Lesbarkeit wird in dieser Arbeit die Sprachform des generischen Masku- linums verwendet. Es wird an dieser Stelle darauf verwiesen, dass die ausschließliche Verwendung der männlichen Form geschlechtsunabhängig verstanden werden soll.

1. Einführung und Problemstellung

Dead Zones, auf Deutsch Todeszonen, sind Wasserareale, die eine niedrige Kon­zentration von gelöstem Sauerstoff aufweisen. Dies hat schwerwiegende Folgen für maritimes Leben und in der Konsequenz auch für uns Menschen, beispielsweise bei der Fischerei. Eine solche Dead Zone bildet sich jedes Jahr im Mündungsgebiet des Mississippi im Golf von Mexiko. Forscher haben herausgefunden, dass die Bildung dieser Todeszone vor allem mit den chemischen Elementen Phosphor und Stickstoff zusammenhängt, welche einen starken Einfluss auf maritime Ökosysteme nehmen können. Seit 1993 hat sich die Fläche der Todeszone im Golf von Mexiko verdoppelt (Malakoff, 1998, S. 190ff.). Laut der Zeitschrift Spiegel erstreckte sie sich im Jahre 2021 über eine Fläche von 16.400 km[2]. Der Durchschnitt der fünf vorherigen Jahre lag noch knapp 2.000 km[2] niedriger. Demnach wächst die Todeszone immer weiter. Die Vereinigten Staaten haben sich aus diesem Grund das ambitionierte Ziel gesetzt, ihre Fläche bis 2035 im Durchschnitt von fünf Jahren auf weniger als 5.000 km[2] zu be­grenzen (Spiegel, 2021, o.S.). Die Umweltschutzorganisation Mighty Earth macht einige bestimmte Konzerne der Fleisch- und Agrarindustrie für das Wachstum der Dead Zone verantwortlich. Diese liegen deutlich nördlich des Golfs von Mexiko, im Zentrum der USA. In diesem Gebiet sind stark gedüngte Mais- und Sojaplantagen für 1,15 Millionen Tonnen Stickstoff verantwortlich, die allein 2016 in den Golf von Mexiko eingetragen wurden. Diese Verschmutzung ist um 170% größer als jene, welche von der Ölpest im Jahre 2010 im Golf von Mexiko hervorgerufen wurde (Mighty Earth, 2016, S. 6). Verantwortlich für den Transport der Nährstoffe über eine solch weite Strecke vom Zentrum der USA bis in den Süden ist der Mississippi: 70% der an­kommenden Nährstoffe stammen aus diesem Fluss (Dodds, 2006, S. 211).

Wie die Dead Zone im Golf von Mexiko genau entsteht, angefangen bei den Nähr­stoffen und deren Eintrag bis hin zu deren Auswirkungen im Ökosystem, soll in dieser Seminararbeit erläutert werden. Dazu werden die zugrundeliegenden naturwissen­schaftlichen Prozesse zuerst einzeln ausgeführt und anschließend in Zusammenhang gebracht. Anknüpfend wird die Rolle der Agrarwirtschaft genauer beleuchtet und es sollen Möglichkeiten zur Bekämpfung der Dead Zone genannt werden. Zum Schluss wird die Problematik zusammengefasst und ein Ausblick gegeben.

2. Übersicht und geographische Prozesse

In diesem Kapitel wird eine kurze geographische Übersicht über den Mississippi und sein Einzugsgebiet gegeben. Anschließend werden Deltas sowie der Prozess der Stratifizierung erklärt. Da die Todeszone am Fuß des Mississippi liegt, bilden diese Prozesse die Grundlage für die Einleitung von Nährstoffen in den Golf von Mexiko.

2.1 Der Mississippi

Der US-amerikanische Mississippi River ist 3.778 km lang. Er entspringt in Minnesota und mündet in Louisiana, bei New Orleans, in den Golf von Mexiko. Somit durchfließt er fast das gesamte Gebiet der Vereinigten Staaten von Norden nach Süden. Dabei durchquert er die Bundesstaaten Minnesota, Illinois, Missouri, Kentucky, Arkansas, Tennessee, Mississippi und Louisiana. Zudem bildet er die Grenzen von Iowa und Wisconsin. Es existieren zahlreiche Nebenflüsse, mit denen der Mississippi sich ver­einigt und dadurch das gesamte Gebiet zwischen den zwei Randgebirgen Rocky Mountains im Westen und den Appalachen im Osten bewässert. Der längste dieser Nebenflüsse ist der Missouri. Die Vereinigung der beiden Flüsse ist rund 6.000 km lang, der Mississippi-Missouri ist somit das viertgrößte Flusssystem der Welt. All­gemein kann der Mississippi in einen Ober- und Unterlauf geteilt werden. Der Oberlauf reicht von der Quelle in Minnesota bis zur Einmündung des Ohio River und der Unter­lauf vom Ohio River bis zur Mündung in den Golf von Mexiko. Das gesamte Einzugs­gebiet erstreckt sich über 31 US-Bundesstaaten und umfasst circa 3,2 Millionen km[2]. Durch seine geographische Lage und seinen Verlauf stellt der Mississippi einen wich­tigen Transportweg dar. Die größten amerikanischen Landwirtschaftszonen liegen ent­lang des Mississippi, knapp die Hälfte aller Farmen sind im Mississippi River Basin in Illinois angesiedelt (Tiesbohnenkamp, o.J., o.S.).

2.2 Das Meer und der Fluss - Deltas

Die weitläufige Einleitung von Wasser aus dem Mississippi durch das Mississippi-Delta spielt für die Entstehung der Todeszone im Golf von Mexiko eine wichtige Rolle. Im Folgenden sollen Deltas und ihre Formen genauer analysiert werden.

Deltas sind verzweigte Mündungen eines Flusses in einen See oder in das Meer. Der Grundriss einiger Deltaformen erinnert an den griechischen Großbuchstaben Delta (A), wovon der Name abgeleitet wird. Die Spitze ist dabei zum Fluss gerichtet. Deltas ent­stehen durch Sedimentation der im Fluss enthaltenen Geröll- und Schwebfracht. Die schwere Geröllfracht, bestehend aus Kies und Sand, wird beim Eintritt des Flusses ins Meer sofort abgelagert. Die leichtere Schwebfracht, bestehend aus Schluff und Ton, wird weiter hinausgetragen und sinkt dort zu Boden. Dabei entstehen verschiedene Schichten (Ahnert, 2015, S. 223).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1:Schichten eines Deltas (Ahnert, 2015, S. 224)

Abbildung 1 zeigt die drei charakteristischen Schichten eines Deltas. Die Schwebfracht lagert sich annähernd horizontal zur hintersten Schicht ab. Diese wird Bodenschicht, oder bottomset bed, genannt und ist in Abbildung 1 mit dem Buchstaben c markiert. In der Böschungsschicht, dem foreset bed, Buchstabe b, wird die Geröllfracht im ge­neigten Winkel Lage um Lage weiter vorgebaut. Die vordere Deckschicht, auch topset bed genannt und mit Buchstabe a markiert, entsteht durch annähernd horizontale Schichtung der Sedimente. Bei Hochwasser im Fluss werden die seitlichen Dämme überflutet und es entstehen weitere Mündungsarme. Jeder Arm baut hierbei die drei­gliedrige Deltaschichtung weiter und verlängert sich nach vorn. In einem See kann es dadurch zu einem unkontrollierten Ausbau des Deltas kommen, bis dieses den ganzen See bedeckt. Im Meer nimmt die Wellenkraft bei zunehmender Entfernung zum Fluss zu und die Sedimentationskraft entsprechend ab, wodurch das Wachstum des Deltas hier begrenzt ist (Ahnert, 2015, S. 223ff.).

In Abhängigkeit der jeweiligen Wellenkraft und Küstenlinie entstehen verschiedenste Deltaformen. Grundsätzlich wird in gezeitendominierte, wellendominierte und flussdominierte Deltas unterschieden (Strahler & Strahler, 2009, S. 627).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2:Klassifikation von Deltas (Dikau et al., 2019, S. 389)

Abbildung 2 zeigt diese Unterscheidung in Abhängigkeit der jeweilig überwiegenden Prozesse. In gezeitendominierten Deltas vermischen sich Gezeiten- und Fluss­strömungen, sodass sogenannte Ästuardeltas entstehen, welche eine trichter­beziehungsweise schlauchförmige Flussmündung aufweisen. Ein Beispiel hierfür stellt das vereinigte Delta des Rheins und der Maas dar. Wellendominierte Deltas entstehen, wenn Wellen und Küstenströmungen die fluvial angelieferten Sedimente aufnehmen. Mit zunehmender Wellenenergie sind diese durch eine Bogenform gekennzeichnet, wie dies beispielsweise beim Nil-Delta der Fall ist. Entsprechend dieser Bogenform werden diese Deltas als Bogendeltas bezeichnet. In flussdominierten Deltas existieren keine nennenswerten Einflüsse von Wellen- oder Gezeitenprozessen. Die Materialdeposition erfolgt also rein fluvial, oft über mehrere

Gerinne eines Flusses. Zu dieser Deltaform gehört das Mississippi-Delta. Dieses ist ein sogenanntes Vogelfuß-Delta oder Fingerdelta (Dikau et al., 2019, S. 388f.).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3:Vogelfuß-Delta des Mississippi (Strahler & Strahler, 2009, S. 626)

Wie Abbildung 3 zeigt, existieren bei dieser Delta­form zahlreiche verzweigte Nebenarme. An deren je­weiligen Enden ragen Finger heraus, wodurch das Flusswasser und die Sedimente des Mississippi weit ins Meer hineingeleitet werden. Pro Jahr wächst das Mississippi-Delta so um bis zu 60 m (Strahler & Strahler, 2009. S. 628).

2.3 Stratifizierung

Im Vogelfuß-Delta des Mississippi lagert sich durch die besondere Deltaform über die zahlreichen Nebenarme das leichtere Süßwasser aus dem Fluss über dem schwere­ren Salzwasser des Meeres ab und fungiert als eine Art Deckel (maribus gGmbH, 2010, S. 80). Der zugrundeliegende Prozess heißt Stratifizierung.

Stratifizierung, oder Stratifikation, ist eine Schichtung des Wassers. Diese Schichtung ist üblicherweise temperaturbedingt. Grund hierfür ist die Dichteanomalie des Wassers: Reines, nicht salzhaltiges Wasser ist bei einer Temperatur von 4°C am schwersten. Eine Abweichung von dieser Temperatur, ob wärmer oder kälter, macht das Wasser entsprechend leichter. Im Sommer bildet sich somit ein typischer Stockwerksbau: Die Wasseroberfläche erwärmt sich, warmes Wasser mit geringer Dichte bildet die Oberflächenschicht, welche Epilimnion genannt wird. Das Epilimnion ist in Seen einige Meter und in Meeren bis zu 100 m mächtig. Unter dem Epilimnion liegt die Sprungschicht, auch Metalimnion oder Thermokline. Die Tempera­turen nehmen hier schnell ab. Aus diesem Grund existieren über wenige Meter große Dichteunterschiede im Wasser. Dies bedingt eine hohe Stabilität, weshalb eine Ver­mischung der darüber- oder darunterliegenden Schicht viel Energie benötigt. Die Tiefenschicht des Wassers, das Hypolimnion, ist dadurch von der Atmosphäre abge­schnitten und es kann kein Austausch mit dieser stattfinden. Grund für die thermische Schichtung des Wassers im Sommer ist die ungleichmäßige Erwärmung der verschie­denen Schichten des Wassers. In den kälteren Jahreszeiten kühlt die Wasser­oberfläche ab und gleicht sich der Temperatur des Tiefenwassers an. Somit besitzen die Schichten nun eine gleiche Dichte und der Kontakt des Tiefenwassers mit der Atmosphäre ist wieder möglich, wodurch neuer Sauerstoff aufgenommen werden kann. Wenn diese erneute Durchmischung des Wassers bis hin zum Grund reicht, wird von Vollzirkulation gesprochen. Doch ist dies nicht immer der Fall: In großen Ozeanen gibt es neben der Sommerthermokline eine weitere, permanente Thermokline. Diese entsteht, wenn sich sehr kaltes Polarwasser unter das mitteltiefe Wasser schiebt. Die winterliche Abkühlung des Wassers reicht zumeist nicht bis zu dieser tieferliegenden permanenten Thermokline, da die Windstärke zu schwach ist. Es entstehen deshalb verschiedene Teilzirkulationen (Sommer, 1996, S. 13ff.).

Verstärkt wird die Stratifizierung durch den Klimawandel. Mit der Erderwärmung geht auch eine Erhöhung der Temperatur in der Oberflächenschicht des Wassers einher. Somit wird das Gefälle zwischen Epilimnion und Hypolimnion noch größer und die Durchmischung des Wassers demnach schwächer. Der Sauerstoffmangel im Tiefen­wasser wird hierdurch weiter verstärkt (Schmidtko et al., 2017, S. 335).

Die Dichteanomalie des Wassers spielt auch beim Fuße des Mississippi eine Rolle: sie tritt nur bei Süßwasser oder Wasser mit einem Salzgehalt von bis zu 2,74% auf. Im Salzwasser gibt es sie nicht, denn dieses ist am schwersten, wenn es kurz vor dem Gefrieren ist. In der Folge verbleibt das oberflächig eingeleitete Flusswasser aus dem Mississippi auch über dem Meerwasser des Golfs von Mexiko (Sommer, 1996, S. 13). Die Folge ist dieselbe wie bei der temperaturbedingten Schichtung: In der tiefen Salz­wasserschicht kann kein Austausch mit der Atmosphäre stattfinden und somit kein Sauerstoffnachschub dorthin gelangen.

3. Biologische und biochemische Prozesse

Um die Bedeutung von Sauerstoff und die Entstehung von Sauerstoffmangel in be­stimmten Wasserschichten zu verstehen, müssen mikrobiologische Prozesse und Stoffkreisläufe im Wasser in den Blick genommen werden. Daher wird nun zuerst das Plankton und seine wichtige Rolle im Nahrungsnetz beschrieben. Anschließend werden die Rollen von Phosphor und Stickstoff in Gewässern dargestellt. Diese Aus­führungen bilden die Basis für jene Prozesse, welche von einer erhöhten Nährstoff­konzentration im Golf von Mexiko hervorgerufen werden und daher eng mit der Ent­stehung der Todeszone in Verbindung stehen.

3.1 Die Mikrobiologie des Wassers - Plankton

Als Plankton werden im Wasser lebende Mikroorganismen mit geringer Fortbewegung bezeichnet. Es gibt eine Vielzahl von Unterteilungen, beispielsweise nach Größe (Schönborn, 2003, S. 237f.). Für diese Arbeit ist jedoch die Funktion ausschlaggebend. Daher wird in dieser Arbeit in zwei Hauptgruppen unterschieden.

Das Phytoplankton ist das pflanzliche Plankton. Zu ihm werden die als Blaualgen be­nannten Cyanobakterien und die Grünalgen, die im engen Sinne pflanzlichen Algen, gezählt. Phytoplankter sind sogenannte Primärproduzenten, da sie organische Substanz aus anorganischen Ausgangsmaterialien produzieren können. Diese Lebensweise wird als autotroph bezeichnet. Dadurch stellen sie das unterste Glied in der Nahrungskette dar. Sie betreiben Photosynthese, nutzen also Lichtenergie, um aus Kohlenstoff und Wasser organische Verbindungen aufzubauen. Dies geschieht unter der Freisetzung von Sauerstoff als Abfallprodukt. Außerdem nehmen sie Nähr­stoffe aus dem Wasser auf und bauen diese in die Biomasse ein (Sommer, 1996, S. 35ff.).

Zooplankton, das tierische Plankton, umfasst Protozoen, sprich Einzeller, und mehr­zellige Tiere. Im Vergleich zu den Phytoplanktern ist Zooplankton heterotroph, kann aus anorganischen Ausgangsmaterialien demnach keine organischen Verbindungen herstellen. Zooplankter müssen diese deshalb durch das Fressen anderer Organismen oder derer Teile aufnehmen. Hierbei wird von Grasen gesprochen. Somit sind die Zooplankter abhängig von den Primärproduzenten und werden aus diesem Grund auch Primärkonsumenten genannt (Sommer, 1996, S. 59f.).

Im Nahrungsnetz nehmen beide Planktonarten bestimmte Rollen ein: Phytoplankter ernähren sich von Licht, Kohlenstoffdioxid und Nährstoffen, während sich Zooplankter wiederum vom Phytoplankton ernähren. Zooplankter werden von Fischen gefressen, welche dann von größeren Fischen gefressen werden. Folgende Auflistung nach Sommer (1996) beschreibt diese Nahrungskette genauer und macht die wichtige Rolle der zwei Planktonarten ersichtlich:

- Ebene 0: Mineralische Nährstoffe und Licht, welche die Ernährungs­voraussetzungen für das Phytoplanktonwachstum darstellen,
- Ebene 1: Phytoplankter als Primärproduzenten,
- Ebene 2: Zooplankter als Primärkonsumenten,
- Ebene 3 und 4: Sekundär- und Tertiärkonsumenten, sprich Tiere, welche die Zooplankter fressen und jene, die ebendiese wiederum fressen.

Dem Phytoplankton kommt hier also die allerwichtigste Rolle zu, da es die Grundlage für alle Nahrungsnetze im Wasser und somit auch die Grundlage für das Leben im Wasser bildet (Sommer, 1996, S. 125f.).

3.2 Die Rolle von Phosphor und Stickstoff

Zuvor wurde die Bedeutung von Plankton im Wasser dargestellt. Dabei wurde auch die Aufnahme von Nährstoffen und der Einbau in die Biomasse thematisiert. Die Rolle zweier spezifischer chemischer Elemente soll nun genauer erklärt werden: Phosphor und Stickstoff. Sie spielen als Algennährstoffe in Gewässern die wichtigste Rolle (Sommer, 1996, S. 157).

3.2.1 Phosphor in Gewässern

Phosphor ist am Einbau von Nährstoffen in die Biomasse von Plankton beteiligt, welcher in Kapitel 3.1 behandelt wurde. Da Phosphor normalerweise aber nur in geringer Konzentration im Wasser zu finden ist, ist er limitierender Faktor für die dortige Primärproduktion (Schönborn, 2003, S. 152). Phosphor liegt im Wasser zumeist als Phosphat (PO4[3]-) oder Hydrogenphosphat (HPO4[2]-) vor (Farley, 2012, S. 261). Aus Kohlenstoffdioxid, Wasser, Nitrat sowie Hydrogenphosphat, angetrieben durch Licht, entsteht Algenbiomasse unter Freisetzung von Sauerstoff (Wehrli, 1993, S. 9):

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