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Wissenschaft in Bildern: Starthilfe für künstliche Riffe

Werkstoffe und Konstruktionen werden aufs äußerste strapaziert, wenn Magnetfelder von einigen Dutzend Tesla erzeugt werden sollen. Davon profitieren aber nicht nur Materialwissenschaft und die Ingenieurtechnik, sondern auch die physikalische Grundlagenforschung und die Industrie mit vielfältigen Anwendungen.

Fischer wissen von alters her, daß Fische sich gern im Schatten und Schutz von Klüften aufhalten; das können auch vom Menschen geschaffene Gebilde sein. Muscheln, Krebse und andere Tiere konzentrieren sich dort gleichfalls, ebenso Algen als Aufwuchs. Durch gezielt – meist im Flachwasserbereich zwischen 10 und 30 Metern Tiefe – ausgebrachte strukturierte Objekte und Konstruktionen läßt sich somit der Aufwand für Fang oder Ernte wirtschaftlich interessanter Meeresorganismen erheblich vermindern.

Vor allem in Japan hat sich im letzten Jahrzehnt eine Industrie entwickelt, die eigens zu diesem Zweck Beton-, Stahl- und Kunststoffmodule fertigt und in Küstennähe versenkt. Auf die standortgerechte Auswahl der Materialien ist bisher nicht geachtet worden – im Gegenteil: Auch solche mit primär anderer Bestimmung, beispielsweise kubikmetergroße Waben aus PVC (Polyphenylchlorid), die man sonst als Tropfkörper in der Klärtechnik verwendet, werden als unverrottbare Schlupfwinkel für Fische unter dem Begriff künstliche Riffe angedient.

Hauptsächlich von den USA ging zudem die Unsitte aus, ausgediente Straßenbahnwagen, ausgemusterte Panzer und vor allem Schrottautos auf den Meeresboden zu entsorgen; sie sollen von Sportfischern begehrte Großfische auf bestimmte Plätze konzentrieren. Auch Millionen abgefahrener Reifen werden dazu verwendet (Bild 6 links). Und selbst alte Ölbohrinseln widmet man – unter dem Slogan "rigs to reefs" semantisch verklärt – zu künstlichen Riffen um; die riesigen Eisengerippe möchten die Eigner etwa im Golf von Mexiko und auch in der Nordsee als "Natur aus zweiter Hand" belassen, um die Abbau- und Recyclingkosten zu sparen.

Angesichts dieser zunehmenden Möblierung des küstennahen Meeresbodens – allein fünf Prozent des japanischen Schelfs sollen in 2500 größeren fischereiwirtschaftlichen Riffprojekten mit Kunstbauten besetzt werden – ist es höchste Zeit, sich über die Umweltverträglichkeit der Maßnahmen im allgemeinen und der verwendeten Materialien im besonderen Gedanken zu machen.


Habitat-Verfremdung

Noch relativ harmlos sind Fischereihilfen aus Bambus oder Palmwedeln, in deren Schatten sich Fische vorübergehend sammeln; sie zerfallen nach wenigen Jahren. Bedenklich sind hingegen dauerhafte Konstruktionen aus Beton, Stahl, PVC und anderen Kunststoffen – insbesondere dann, wenn sie, wie es bevorzugt geschieht, auf ansonsten einförmigen Sedimentflächen errichtet werden. Die künstlichen Unterstände und Bewuchsmöglichkeiten beeinflussen die gewachsenen Weichboden-Lebensgemeinschaften in ihrem Umfeld langfristig.

Die besonders geschätzten Raubfische sammeln sich in den neuen Schlupfwinkeln und dezimieren die lange etablierte Fauna. Nach dem Bau von Riffen aus Autowracks vor der Küste Alabamas etwa dominierten bald anstelle der bodenlebenden Plattfische und Knurrhähne verschiedene schwarmlebende Schnapper-Arten. Ein Beispiel von der amerikanischen Ostküste ist der drastische Rückgang von Seefedern (Federkorallen) und anderen auf Weichböden heimischen Wirbellosen im Umkreis von 200 Metern um ein solch künstliches Domizil.

Bei der Errichtung derartiger Strukturen überschätzt man oft den fischereiwirtschaftlichen Nutzen und bedenkt allenfalls Risiken für die Schiffahrt. Aber wegen der vielfältigen ökologischen, im einzelnen noch gar nicht bekannten Effekte sollte jedem Eingriff in den küstennahen Meeresbereich eine gründliche Untersuchung der Umweltverträglichkeit vorausgehen – sowohl was den Standort als auch was das Material anbelangt.

Dabei ist es auch angebracht, mit sauberen Begriffen zu operieren. Riffe im weitesten Sinne sind meist langgestreckte Bänke oder Klippenreihen, die vom Meeresgrund bis knapp unter oder über die Wasseroberfläche reichen und durch Anschwemmungen von Sand oder Gestein, Zerstörung einer felsigen Steilküste oder Wachstum von Korallenbauten entstanden sind. Im engeren biologischen Sinne sind es selbstwachsende Strukturen, die der Brandung widerstehen – im wesentlichen also Bildungen von Steinkorallen und Kalkalgen. Simple künstliche Sammelplätze, die den Ertrag an Fischen erhöhen sollen, ähneln diesen natürlichen Bildungen nur selten.

Die Bezeichnung künstliche Riffe trifft eher auf kostspielige Anlagen zum Küstenschutz zu. Wo in tropischen Regionen Korallenriffe und vorgelagerte Sandbänke beispielsweise durch Hafenbauten, Ausbaggern von Becken und Fahrrinnen oder andere Maßnahmen zerstört oder abgetragen wurden, müssen Wellenbrecher und Molen der Erosion durch Brandung und veränderte Strömungen vorbeugen. Die Bewehrung etwa aus übereinandergetürmten Beton-Tetrapoden kostet rund 12000 Mark pro Meter. Eine solche Struktur ist zumindest unter Wasser in ihrer engräumigen Gliederung in Höhlungen und Vorsprüngen einem gewachsenen Riff vergleichbar. Auf ihr kann sich, wenn auch sehr langsam, eine Gemeinschaft von Organismen ansiedeln, die der eines natürlichen Riffs nahekommt – sofern Wasserverschmutzung, reger Schiffs- und Bootsverkehr sowie andere störende Einflüsse dies nicht verhindern.

Touristische Einrichtungen haben vielerorts ausgerechnet die Korallenriffe degradiert, die Tauchbegeisterte anziehen sollten. Um den Erlebniswert der Unterwasserlandschaften bei marinen Freizeitanlagen zu steigern, wurden sogar außer Dienst gestellte Schiffe absichtlich versenkt – in der Hoffnung, möglichst bald romantisch bewachsene Wracks zu bekommen (Bild 6 Mitte). All die möglichen schädlichen Folgewirkungen hat sicherlich kein Verantwortlicher bedacht.

Außerdem verschmutzen touristische Zentren an vordem idyllischen Stränden das Meer durch eingeleitetes Abwasser und verstärkte Sedimentfracht. Schließlich wird mancherorts sogar, um Baumaterial für ihre Errichtung zu gewinnen, Riffkalk gesprengt und abgebaggert; auf dem verbliebenen losen Schutt siedeln sich riffbildende Organismen aber nur sehr zögerlich wieder an. Zur Abhilfe hat man vorgeschlagen, gewissermaßen als Prothese Blöcke aus fossilen, über den Meeresspiegel ragenden Riffkalken zu brechen und zu versenken. Sie böten ein siedlungsfreundliches Substrat.


Schwierige Besiedlung

Natürliche wachsende Riffe sind die biologisch produktivsten marinen Ökosysteme. Sie werden von Lebewesen aufgebaut, die sich auf festem Untergrund niederlassen und Kalkskelette abscheiden. Die wichtigsten dieser Organismen sind heute Steinkorallen und spezielle Kalkalgen; Oktokorallen, Moostierchen und gewisse Schwämme spielen eine untergeordnete Rolle. Solche Riffbildner sind auf wärmere Breiten beschränkt und stellen jeweils besondere Ansprüche an Licht- und Strömungsverhältnisse. In kühleren Breiten gibt es zwar ebenfalls kalkabscheidende Organismen; sie vermögen aber nur Krusten zu bilden und keine selbstwachsende Riffe.

Eine standorttypische Hartbodengemeinschaft – wie eine Korallenbiozönose – etabliert sich erst im Laufe vieler Jahrzehnte. Besteht die neu ausgebrachte Siedlungsfläche nicht aus Kalk (eben dem Material, das auch riffbildende Organismen abscheiden), sondern etwa aus Granit, Eisen oder Kunststoff, müssen anspruchslose Pionierarten wie Kalkröhrenwürmer sie zunächst punktuell vorbereiten. Im Zusammenspiel mit speziellen mikrobiellen Siedlern kommen allmählich die strukturellen und biochemischen Schlüsselreize zustande, die eine vorbeitreibende Muschel- oder Moostierchenlarve zum Festsetzen animieren können.

Eine mit der Zeit immer spezifischer werdende Reizkombination geht dann von Kleinstlebensräumen aus, wie beispielsweise der Bewuchs einer Stachelauster sie bietet. Davon wird nun vielleicht auch eine Korallenart mit ziem-lich engumschriebenen Habitatansprüchen angelockt. In den weiteren Jahren bilden sich – quasi nach dem Prinzip der Bremer Stadtmusikanten – inselartige Protoriffgemeinschaften; ihr Zusammenwachsen hängt vom Grad der Besiedelbarkeit des zwischenliegenden Areals ab. Schiffswracks aus dem Zweiten Weltkrieg zeigen immerhin nach gut einem halben Jahrhundert noch nicht mehr als solch ein Mosaik pionierhafter Kleingemeinschaften, sind also noch weit davon entfernt, eine echte ökologische Bereicherung darzustellen (Bild 6 rechts).


Kopplung elektrochemischer und biogener Prozesse

Die Phase des anfänglichen Brachliegens und erster, gleichsam tastender Ansiedlungen läßt sich, wie wir feststellten, mit einem dafür geeigneten Untergrund (der Fachmann spricht von Substrat) stark abkürzen. Wir haben mit einem System experimentiert, bei dem eine metallische Trägerkonstruktion quasi galvanisch von einem direkt aus dem Meerwasser abgeschiedenen Kalkmischsubstrat überzogen wird (siehe Kasten auf Seite 70).

Die Anregung dazu gab die Idee des deutsch-amerikanischen Architekten und Künstlers Wolf Hilbertz, elektrochemisch Gebäudestrukturen im Meer entstehen zu lassen; er beschrieb 1977 ein Verfahren dafür und entwarf gleich eine ganze unterseeische Stadt. Aus Kapitän Nemos Reich übertrug Ewald Bubner vom Bereich Baukonstruktion und konstruktive Gestaltung der Universität-Gesamthochschule Essen diesen Einfall in die experimentelle Praxis, um damit die Produktion von Leichtbauplatten beispielsweise für Häuser in erdbebengefährdeten Gebieten zu erproben.

Als ich als Biologe von den wachsenden künstlichen Hartstrukturen am Meeresboden hörte, wurden gleich Assoziationen zu Korallenriffen wach, und es war dann nur ein Gedankenschritt, elektrochemische und biogene Kalkanreicherungsprozesse zu koppeln. Ergänzt um den Geologen Diethard E. Meyer und den Biologen Lothar Schillak, beide ebenfalls von der Universität Essen, unternahm unsere interdisziplinäre Arbeitsgruppe 1985 einen Test im Mittelmeer bei der meeresbiologischen Station STARESO (Station de Recherches Sous-Marines et Océanographiques) bei Calvi auf Korsika. Im Folgejahr begann dann ein differenzierter ökologischer Langzeitversuch, bei dem es vornehmlich um Bildungsgeschwindigkeit und Abfolge der Besiedlergemeinschaften ging. Wichtig zu wissen ist hierfür, daß es im Mittelmeer zwar Korallen, aber keine riffbildenden Arten gibt. Wir hatten es also mit krustenbildenden Organismen zu tun.

Als Grundgerüst diente leicht trichterförmig zu einer Art Höhle gerollter Kükendraht mit einer Maschenweite von acht Millimeter; er wurde als Kathode geschaltet, das heißt, mit dem negativen Pol einer Gleichspannungsquelle verbunden (Bild 2 links). Wir hofften, auf dem sich flächig abscheidenden Substrat würden sich im Laufe seiner Bildung Algen und Tiere niederlassen und es mit Kalkstrukturen verstärken. Ein gleichzeitig biogenes Wachstum blieb jedoch bei den damals angelegten Stromstärken aus.

Ein etwas drastischer Aquarienversuch machte die Gründe augenfällig. Wir schalteten eine Eisenstange, die jahrelang im Meer gelegen hatte und mit Gehäusen von Kalkröhrenwürmern (Serpuliden) überzogen war, als Kathode und positionierten sie im Abstand von gut zehn Zentimetern neben die Anode, die mit dem Pluspol verbundene Elektrode. Bei einer Spannung von 4,3 Volt und einer Stromstärke von 1,4 Ampere überzogen sich nach wenigen Minuten die noch freien Eisenpartien – und später auch die Kalkkrusten – mit einem weichen, gelartigen Belag von Brucit (einer Modifikation von Magnesiumhydroxid; Bild 4). Der pH-Wert stieg darin auf elf und höher; das Milieu war also extrem basisch. Für eine ansiedlungsbereite Larve sind dies keinesfalls einladende Schlüsselreize.

Nach Abschalten des Stroms veränderte sich die Situation allerdings: Nach wenigen Tagen siedelten sich bereits Posthörnchenwürmer (Spirorbis-Arten) – benannt nach ihren gewundenen Wohnröhren – und Algen auf dem nun zu einer rauhen Kruste kondensierten Substrat an.

Der Versuch mit der Eisenstange zeigte zudem, daß ursprünglich vorhandene Würmer, deren Gehäuseöffnung unmittelbar der Kathode auflag, sich sehr bald aus ihrer Röhre quälten und verendeten; hingegen blieben solche, deren Gehäuseende ins freie Wasser und damit einige Millimeter über den tödlichen pH-Bereich hinaus ragten, offenbar unbehelligt. Vor allem deshalb setzten wir dann die einzelnen Probekörper im Meer nur in zeitlichen Abständen unter Strom, wobei stromlose mit gleichlangen stromführenden Phasen wechselten. Eine Pause von mindestens vier Wochen erwies sich dabei als günstiger als eine von nur einer Woche oder gar weniger (Bild 2 rechts); denn binnen einer einmonatigen Erholung war es manchen der angesiedelten Organismen möglich, sich einige Millimeter über die danach wieder aktive Depositionsfläche mit dem widrigen alkalischen Milieu zu erheben und weiterzuwachsen.

Die von den elektrochemischen Mineralabscheidungen eingebetteten Kalkgehäuse sind durchaus der Armierung in einer Betonmasse vergleichbar. Anschaulich zeigte sich dies, als wir nach dem ersten Versuchswinter an den während dieser Zeit sich selbst überlassenen Probekörpern den Gleichstrom wieder einschalteten. Verschiedene Organismen hatten sich eingestellt (Bild 3 links). Filigrane Kalkkolonien des Neptunschleiers (Moostierchen der Gattung Sertella) waren bis zu zwei Zentimeter hoch geworden; während sie nun an der Basis einzementiert wurden, wuchsen die aus vielen Individuen bestehenden Gebilde an den Spitzen weiter (Bild 3 Mitte). Auch die letzten Maschenöffnungen, die in dem überkrusteten Drahtgitter bis dahin noch offen waren, verschlossen sich durch die erneute elektrochemische Kalkabscheidung. Bei wiederholtem Wechsel stromloser und stromführender Phasen in mindestens monatlichem Abstand entstehen binnen eines Jahres feste Verbundsubstrate von mehr als zehn Millimetern Dicke (Bild 3 rechts).

Aber auch die simple Kopplung von Probekörpern mit kleinen Solarzellen von der Größe eines DINA2-Blattes brachte Erfolg: Dann ging nach einer Initialphase die elektrochemische Deposition sogar mit einer gleichzeitigen biogenen einher; denn der photovoltaisch erzeugte Strom war wesentlich schwächer und durch eine ausgeprägte Tag-Nacht-Rhythmik gekennzeichnet, so daß kein tagelang siedlungsfeindliches Mikromilieu entstehen konnte (Bild 5).


Vielfältiger Bewuchs

Besonders bemerkenswert bei den Freiwasser-Experimenten war die rasche und vielfältige Besiedlung der elektrochemisch erzeugten Krusten nach dem endgültigen Abschalten des Stroms. Während auf unbehandeltem Maschendraht, aber auch auf Körpern aus Materialien wie PVC oder Beton nach einem Jahr sich nur wenige Pionierarten verstreut niedergelassen hatten, drängten sich in den Schattenbereichen der neuartigen Substrate Schwämme, Hydropolypen (eine Klasse der Nesseltiere), Stein- und Oktokorallen, Moostierchen (Bryozoen), Kalkröhrenwürmer und Manteltiere (Tunikaten). Die lichtzugewandten Seiten waren von verschiedenen Makro- und Fadenalgen zugesetzt.

In den folgenden Jahren änderte sich der Bewuchs nicht mehr grundsätzlich (Bilder 7 und 1). Krustige Schwämme, Moostierchen und kolonienbildende Seescheiden (Synascidien) dominieren seither – mit saisonalen Schwankungen – auf den Schattenflächen (Titelbild). Unter den Steinkorallen ist vor allem Caryophyllia inornata (eine blaßrosa Nelkenkoralle) zahlreich vertreten, teilweise bereits in zweiter Generation. Auf der lichtzugewandten Außenseite ist die anfängliche Algenvielfalt allerdings zugunsten einer Art, nämlich Pulvinaria giraudii, gewichen (dieser feinfädige Eutrophierungsanzeiger hat auch entlang weiter Küstenstriche Italiens überhandgenommen).

Taucher wissen aus eigener Anschauung, daß Kalk eine artenreichere Gemeinschaft ermöglicht als ein hartes Gestein wie Granit. Nur auf Kalkablagerungen siedeln Organismen von dattelgroßen Bohrmuscheln bis zu mikroskopisch kleinen Bohralgen, die das Material noch bis in gewisse Tiefe umgestalten; sie schaffen vielfältige kleinräumige Strukturen und erhöhen damit das Angebot an ökologischen Nischen. In dieser Hinsicht erfüllt das aus dem Meerwasser abgeschiedene Substrat unsere Erwartungen.

Allerdings wird es nicht nennenswert biogen weiter verstärkt (was – wie anfangs erwähnt – im Mittelmeer nicht verwundert, weil dort nur Krustenbildner und keine echten Riffbauer existieren). Nach nunmehr zehn Jahren ist auf den überkrusteten Drahtgerippen trotz üppiger Besiedlung seit dem Ende der Elektrodeposition kaum weiterer Kalk abgeschieden worden. Mittlerweile dominieren flächenmäßig Organismen, vor allem Schwämme, die keinen Kalk bilden – und sie verhindern weitgehend die zusätzliche Ansiedlung kalzifizierender Arten. (Die als Kontrollobjekte dienenden Drahtgeflechte, die wir niemals unter Strom gesetzt hatten, die also keine elektrochemische Depositionskruste trugen und deshalb auch nur äußerst spärlich besiedelt wurden, waren übrigens nach drei Jahren fast völlig weggerostet.)

Seit 1992 setzten wir die Versuche bei Korallenriffen im Golf von Akaba fort. Hier, im nordöstlichen Zipfel des Roten Meeres, wird das elektrochemisch erzeugte Substrat ebenfalls von Korallen besiedelt; im Gegensatz zu den langsam wachsenden Einzelpolypen von Caryophyllia inornata im Mittelmeer handelt es sich aber um riffbildende Arten. Diese in der Regel koloniebildenden Formen sind mit symbiontischen Algen (Zooxanthellen) assoziiert, welche die Kalkabscheidung bei geeigneten Lichtverhältnissen erheblich beschleunigen. Wir erwarten deshalb, daß die Substrate ohne weiteres menschliches Zutun fortwährend verstärkt werden.


Vorteile

Was versprechen wir uns von dem Verfahren? An allen Stellen, an denen der Einsatz künstlicher Riffe sinnvoll scheint, ist die bloß technisch angeregte natürliche Bildung solcher Strukturen vor Ort die ökologisch angepaßte Alternative zum Versenken von Fertigteilen. Bisher meinte man, mit dem Überbordwerfen von Schrottvehikeln, Beton-Tetrapoden oder Kunststoffmodulen alles Nötige erledigt zu haben; ob und in welcher Zeit die Fremdkörper von einer standorttypischen Besiedlergemeinschaft angenommen würden, interessierte nicht weiter. Die gezielte Starthilfe für natürliche Kalkabscheidung erlaubt hingegen, Matrizen in die örtliche Topographie des Meeresbodens einzupassen und fest im Grund zu verankern – was besonders von Vorteil ist, wenn natürliche Riffe zu reparieren sind. Eine standorttypische Besiedlergemeinschaft etabliert sich darauf in wenigen Jahren, also vergleichswei- se rasch.

Material- und Energieaufwand sowie Umweltbelastungen, wie sie mit einer Fertigung massiver Teile an Land und dem Transport in den Schelfbereich verbunden sind, entfallen weitgehend. Die stromliefernden Solarzellen oder Windräder lassen sich, auf Pontons montiert, nach einigen Monaten an den nächsten Einsatzort versetzen; das elektrochemisch erzeugte Basissubstrat wächst von da an biogen weiter. Der mit solchen Anlagen erzeugte Gleichstrom variiert zudem in seiner Stärke, was für diesen Zweck günstig ist, und muß nicht eigens modifiziert werden.

Dauerhaftigkeit wird häufig als Argument angeführt, wenn man zum Beispiel fischereiwirtschaftlich genutzte Konstruktionen aus Bambusstangen durch Betonklötze ersetzt. Wenn sie allerdings nicht mehr gebraucht werden, sind sie so wenig zu beseitigen wie Bunker der Innenstädte und des Atlantikwalls, im Zweiten Weltkrieg errichtete deutsche Befestigungsanlagen an den französischen, belgischen und niederländischen Küsten. Die elektrochemisch initiierten künstlichen Riffe hingegen lassen sich, indem man die einstige Kathode als Anode schaltet, einfach wieder auflösen. Sie könnten also bei Bedarf einer anderen Nutzung Platz machen.

Literaturhinweise

- Mineral Accretion Technology: Applications for Architecture and Aquaculture. Von W. Hilbertz, D. Fletcher und C. Krausse in: Industrial Forum, Heft 8, 1977, Seiten 75 bis 84.

– Development of Coral Communities on Artificial Reef Types over 20 Years (Eilat, Red Sea). Von H. Schuhmacher in: Proceedings of the 6th. International Coral Reef Symposium 1988, Band 3, Seiten 379 bis 384, Townsville 1989.

– Ökologisch verträgliche Bauprozesse im Meerwasser. Von D. E. Meyer und H. Schuhmacher in: Die Geowissenschaften, Heft 12, 1993, Seiten 408 bis 412.

– Was sind künstliche Riffe? Von H. Schuhmacher in: Abhandlungen der Geologischen Bundesanstalt, Band 50, 1994, Seiten 399 bis 413.

– Integrated Electrochemical and Biogenic Deposition of Hard Material – a Nature-like Colonization Substrate. Von H. Schuhmacher und L. Schillak in: Bulletin of Marine Science, Band 55, 1994, Seiten 672 bis 679.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 3 / 1996, Seite 66
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
3 / 1996

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 3 / 1996

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