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Ökotechnologien zur Sanierung und Restaurierung von Standgewässern



Welchen wirtschaftlichen Wert hat ein See, und welche Maßnahmen zum Erhalt eines solchen Ökosystems lassen sich wirtschaftlich rechtfertigen? Unlängst versuchten Robert Costanza von der Universität Maryland und zwölf weitere Wissenschaftler erstmals eine globale Bewertung der vielfältigen Funktionen von Ökosystemen. Für Seen und Flüsse errechneten sie jährliche Serviceleistungen im Wert von rund 850000 Dollar pro Quadratkilometer Gewässerfläche; darin eingeschlossen sind insbesondere die wasserwirtschaftliche Nutzung, der Wert als Erholungsgebiet und die Fähigkeit zum Abbau oder zur Fixierung von Nähr- und Laststoffen, die andernfalls in Klärwerken zu beseitigen wären. Auf Deutschlands Gewässer übertragen würden kommunale Leistungen von etwa 7,9 Milliarden Mark pro Jahr ersetzt, und zwar zu etwa einem Drittel von Seen und zu zwei Dritteln von Fließgewässern.

Angesichts solcher Zahlen wird deutlich, welch große ökonomische Bedeutung es hat, diese Gratisleistungen der Natur zu sichern und einem Schwund an intakten Ökosystemen frühzeitig entgegenzuwirken. Binnengewässer sind eine knappe, äußerst schützenswerte und zugleich für die Menscheit sehr essentielle Ressource!

Weltweit ist jedoch ein nachhaltiger Umgang nicht zu erkennen; insbesondere nicht bei Standgewässern – auf die wir uns in unserer Arbeit konzentrieren. Sie sind von Algenwachstum infolge Nährstoffüberangebot (Eutrophierung), Verschlammung, dem Eintrag toxischer Stoffe, Versauerung und Wasserspiegelabsenkung betroffen. Weiträumige Störungen der natürlichen Stoffkreisläufe werden des weiteren auch für Seen, Talsperren und Teiche Folgen zeitigen, die sich nur schwer abschätzen lassen; ein bekanntes Beispiel ist der atmosphärische Ferntransport von Schwefeldioxid, der beispielsweise in Skandinavien – weitab von den Verbrennungsorten der Kohle – sauren Regen und damit erheb-liche Schäden in den Seen verursacht.



Systemtheoretische Grundlagen



Die nachhaltige Verbesserung der Wasserqualität erfordert umfassende Kenntnisse zum einen der komplexen ökologischen Prozesse im Binnengewässer selbst, zum anderen der Zuflüsse und sonstigen Einträge aus den Einzugsgebieten. Hier ist besonders eine theoretische Gewässerökologie gefragt, welche die Systemzusammenhänge analysiert und Bewertungen ermöglicht. Gewässerökosysteme sind aber offene, homöostatische, multipel rückgekoppelte und sich selbst stabilisierende Systeme. Das erschwert eine korrekte bis auf die einzelne biologische Art gehende Vorhersage der Reaktionen auf äußere Einflüsse.

Mathematische Modelle versuchen die räumliche und zeitliche Entwicklung von wichtigen Merkmalen zu erfassen. Es können damit beispielsweise Artenanzahlen, Biomassen und Nährstoffmengen bis hin zu Schadstoffkonzentrationen in ihrer Dynamik berechnet und ihre Bedeutung für das Ökosystem bewertet werden. Weil die zugrundliegenden Differentialgleichungen nichtlinear sind, kleine Änderungen in den Eingangsdaten also sehr verschiedene Resultate ergeben, ist der Anspruch an die Qualität der Daten sehr hoch; zudem müssen viele verschiedene Variablen möglichst gleichzeitig in der Natur gemessen werden. Überdies sind viele Prozesse noch nicht gut genug bekannt und lassen sich dementsprechend nicht realitätsgetreu modellieren.

Ein zweiter Denkansatz geht davon aus, daß es in ungestörten Gewässern ein Kontinuum von Arten verschiedener Evolutionshöhe, Größe und ökologischer Einnischung gibt, von Bakterien über Planktonalgen und kleineren Planktontieren (wie winzigen Krebstieren) bis hin zu Fischen. Sie lassen sich anhand der Energiegleichung log A = C – log W in das Gesamtsystem einordnen, wobei A die Anzahl der Arten und W die jeweilige Größenklasse angibt; C ist eine Konstante. Der Name weist auf einen ungehinderten Energiefluß über das gesamte Nahrungsnetz hin, wie er im ungestörten Falle vorliegt (das stehender Gewässer besteht im wesentlichen aus Algen als sogenannten Primärproduzenten – sie bilden mittels Sonnenlicht Biomoleküle – und Zooplankton als davon lebenden Primärkonsumenten; letzteres fressende Fische bezeichnet man als Sekundärkonsumenten erster und von diesen lebende Raubfische als Sekundärkonsumenten zweiter Ordnung). Fehlen Größenklassen in einem solchen Nahrungsnetz, ist dieser Fluß und damit das gesamte Ökosystem gestört. Untersuchungen verschiedener Seen unterstreichen die Gültigkeit und Bedeutung dieses Ansatzes: Die Konsequenzen der im folgenden beschriebenen technischen Maßnahmen wären damit systematisch und relativ einfach zu erfassen und zu bewerten.



Gewässer-Ökotechnologie



Obwohl ökosystemare Modelle und Konzepte wie die obige Energiegleichung bereits wichtige Bausteine zu einer gezielten technischen Einflußnahme sind, beruht die Vorhersage praxisrelevanter Strukturen und Verhaltensweisen derzeit vor allem auf empirisch gefundenen Zusammenhängen. Bei fast jeder Sanierung ist daher eine detaillierte, individuelle Kausalanalyse vorerst unverzichtbar.

In der Praxis sucht man gegebenenfalls nach der ersten Bestandsaufnahme zunächst das Einzugsgebiet zu sanieren, also beispielsweise externe Belastungen zu verringern, um ökologisch sinnvolle Gleichgewichte zu erhalten oder wiederherzustellen (Bild 1). Erst im Anschluß daran ist die Restaurierung des Gewässers sinnvoll. Um einen naturnahen, standortgerechten und sich selbstregu-lierenden Stoff- und Energiehaushalt wiederherzustellen, werden ökologische Wirkprinzipien technisch genutzt; im angelsächsischen Sprachraum spricht man vom ecological engineering, im Deutschen von Ökotechnologie.

Dabei verändert man Teilsysteme innerhalb oder außerhalb eines Gewässers derart, daß einzelne seiner Funktionen in einem definierten Zeitraum überproportional wirksam werden, die letztlich eine Verbesserung der Gewässergüte zur Folge haben. Technologien wie Biomanipulation, Nährstoffällung oder Sedimentoxidation zielen in erster Linie auf die Reduktion von Nähr- und Schadstoffen sowie der Algenmasse. Bereits bei der Formulierung der gewünschten Qualitätsziele der Gewässer sind Bewertungsmethoden notwendig, die Aussagen über die zu erwartende Nachhaltigkeit beziehungsweise weitere Iterationsschritte ermöglichen.



Zufluß und Nährstoffeintrag



Stehende Gewässer sind Sammelbecken für viele belastende Stoffe; der Eintrag diffuser Nähr- und Schadstoffquellen läßt sich aber nur schwer wirksam verringern. Deshalb sollte man versuchen, auch die Funktion der umliegenden Landschaft als Nähr- und Schadstoff-senke wiederzubeleben. Geeignete ökotechnologische Maßnahmen wären: Anheben des Bodenwasserspiegels zur Stabilisierung des Wasserhaushalts der Landschaft, eine Wiedervernässung von Mooren und trockengelegten Flächen, die Anlage von wiesen- und wald-reichen Uferschutzstreifen oder die Mäandrierung von begradigten Fließgewässern.

Die enorme Bedeutung der Landschaft als Senke beziehungsweise Quelle wird besonders im Einzugsgebiet vieler Flüsse deutlich. Ein Teil der Nährstoffe aus übermäßig kommunal oder landwirtschaftlich belasteten Flächen gelangt über unterirdische Abflüsse und Dränagen in die Gewässer. Die Landschaft hat dort ihr ursprüngliches Rückhaltevermögen verloren. Analysen für die von Havel und Spree durchflossenen Seen im Berliner Raum erbrachten beispielsweise, daß die diffusen Phosphoreinträge im Einzugsgebiet um mindestens 20 Prozent, die aus Kanalisationssystemen um 50 und die aus Kläranlagen oberhalb Berlins um etwa 90 Prozent vermindert werden müßten, um mäßig nährstoffreiche Verhältnisse und langfristig eine der Badewasserrichtlinie der Europäischen Gemeinschaft entsprechende Gewässergüte zu erreichen.

Biomanipulation



Die für die Wasserqualität gleichermaßen sehr wichtige Artenzusammensetzung des Nahrungsnetzes in einem Gewässer läßt sich nur in sehr grober Näherung vorhersagen. Häufig ergeben sich deshalb nach Eingriffen überraschende Veränderungen, etwa die übermäßige Vermehrung unerwünschter Organismen wie blaugrüner Bakterien (auch Blau-algen genannt), die schlecht freßbar sind. Deswegen hat auch die sogenannte Biomanipulation nicht immer das erhoffte Ergebnis.

Grundsätzlich geht dieses Verfahren von folgenden Hypothesen aus: Durch Einsetzen von Raubfischen und intensives Befischen dezimiert man die zooplanktonfressenden Kleinfischbestände. Wasserfiltrierendes, Algen fressendes Zooplankton – insbesondere Wasserflöhe der Gattung Daphnia – können sich dann stärker vermehren, und in der Folge wird das Wasser klarer (Bild 2). Weil das Sonnenlicht jetzt tiefer dringt, wachsen und vermehren sich nun höhere Wasserpflanzen (Makrophyten) wie verschiedene Laichkräuter und Tausendblattarten. Die wiederum bieten Hechten Lebensraum, bedecken das nährstoffreiche Sediment am Grund und vermindern so den Nährstofftransport von dort ins Wasser – das System stabilisiert sich. Besonders in flacheren hypertrophischen Seen von weniger als vier Metern Tiefe ist die Methode bereits erfolgreich angewendet worden; dabei war immer ein massiver Einsatz von Raubfischen erforderlich.

Dieser Wechsel von der planktonreichen in eine Makrophyten-Phase funktioniert normalerweise nicht in Seen mit einer mittleren Tiefe von mehr als sechs Metern, denn die größeren Wasserpflanzen besiedeln dort nur die Uferregionen. Neuere Ergebnisse weisen aber darauf hin, daß sich nach einer Biomanipulation phosphorhaltige Partikel wie große Algen, Zooplankton-Kotballen, abgestorbene Zooplankter und Calcitaggregate absetzen; dann wird der für das Wachstum von Plankton wichtige Nährstoff Phosphor also im Sediment gebunden und ist somit weniger verfügbar. Calcitpartikel binden aber nicht nur den Phosphor, sondern beschweren auch die Kotteilchen, so daß diese schneller zum Grund sinken und den Entzug von Nährstoffen aus dem Wasser beschleunigen. Voraussetzung dafür ist allerdings, daß die Phosphorkonzentration bereits unter einem Schwellenwert liegt: Hohe Werte hemmen die natürliche Calcitfällung und die Nährstoffverluste wären auch zu gering, um das unerwünschte Algenwachstum zu begrenzen.



Künstliche Calcitfällung



Calcitkristalle bilden sich aber unter den geschilderten Voraussetzungen ausschließlich in calcium- und karbonatreichen Seen – also der Mehrzahl der in Deutschland und dem Alpenraum vorkommenden Binnengewässer (sie entstehen nicht in Seen und Talsperren im Urgestein oder in sauren Seen). Durch Zugabe von Kalkmilch in anaerobe, sauerstoffarme Tiefenwasserbereiche lassen sich Calcitfällungen aber auch künstlich auslösen. Erste Ergebnisse eines entsprechenden Experimentes zur Restaurierung eines eutrophen Sees mittlerer Tiefe, dem Schmalen Luzin im Feldberger Seengebiet in Mecklenburg-Vorpommern, belegen nach zweijährigem Pilotbetrieb, daß sich durch Zugabe von insgesamt 330 Tonnen Kalkmilch und gleichzeitige Belüftung sowie Umwälzung des Tiefenwassers der Phosphorgehalt des Sees stark vermindert hat (Bild 3). Darüber hinaus sind große Bereiche des ehemals sauerstofffreien und methan- und schwefelwasserstoffhaltigen Tiefenwassers wieder reich an Sauerstoff. Der Versuch wird wohl bis etwa Ende nächsten Jahres fortgeführt.

Wie eng unsere Gewässer an ihr Einzugsgebiet gekoppelt sind, unterstreicht beispielsweise ein Großexperiment im brandenburgischen Stechlinseegebiet. Dort wurde der Moorsee Große Fuchskuhle 1991 mit faserverstärkten Kunststoffplanen viergeteilt (Bild 4). Ohne weitere Eingriffe entwickelten sich die Becken unerwarteterweise innerhalb mehrerer Jahre auseinander. Der Grund: die angrenzenden Moorkörper waren geringfügig verschieden mächtig. Schon infolge dieser kleinen Abweichungen in den Ausgangsbedingungen stellten sich gravierende Unterschiede im Säuregehalt als Folge differierender mikrobieller Aktivitäten und Huminstoff-Einträge ein. Auf engstem Raum, unter scheinbar vergleichbaren externen Einflüssen, offenbarte ein Ökosystem zwei recht divergierende Entwicklungspotentiale, ein produktiveres mit pH-Werten nahe dem Neutralbereich und ein weniger produktives mit unverändert niedrigen pH-Werten, welches stärker vom Moor beeinflußt wird. Dies bekräftigt, daß wissenschaftliche Untersuchungen sich nicht nur auf den See selbst beschränken dürfen, sondern auch die Hydrogeologie des Einzugsgebiets erfassen müssen.

Solche Pilot- und Ganzseen-Experimente sind für ein ökotechnologisch orientiertes Gewässermanagement nahezu unverzichtbar und werden mittlerweile weltweit durchgeführt. Sie ermöglichen, neue Technologien zur Verbesserung der Gewässergüte zu erproben und risikolos anzuwenden sowie verschiedene Umwelteinflüsse im ökosystemaren Kontext direkt und gut reproduzierbar zu erforschen und zu bewerten. Die gewonnenen Erkenntnisse sind auch wichtige Bausteine zum Verständnis und zur Modellierung von Ökosystemen. Sie tragen dazu bei, das Konzept nachhaltiger Entwicklung als Leitbild eines natur- und sozialwissenschaftlich begründeten Gewässermanagements zu verwirklichen. Dazu ist allerdings das Zusammenwirken naturwissenschaftlicher, technischer und politischer Fachdisziplinen erforderlich. Die Ökologie erlangt in diesem Netzwerk eine zentrale Bedeutung.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 9 / 1998, Seite 97
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
9 / 1998

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 9 / 1998

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