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Consistent stoichiometric long-term relationships between nutrients and chlorophyll-a across shallow lakes

Graeber, D., McCarthy, M.J., Shatwell, T., Borchardt, D., Jeppesen, E., Søndergaard, M., Lauridsen, T.L., Davidson, T.A., 2024. Nat Commun 15, art. 809.

Too many nutrients are entering the water of many shallow lakes, leading to their over-fertilization, a phenomenon known as eutrophication. We now demonstrate a clear connection between the amount of nutrients in the water and the amount of Chlorophyll a – an indicator of algal biomass. However, this connection only becomes apparent when the ratio and concentration of both nitrogen and phosphorus are taken into account. Additionally, the relationship between the nutrients and Chlorophyll a significantly improves when data over a longer period of 5 years is analyzed. According to our analysis, the remaining differences in the fluctuation of Chlorophyll a between the lakes are due to other environmental variables, not nitrogen and phosphorus. Shallow lakes constitute around 89% of all lakes worldwide, and our findings clearly indicate that targeted, long-term control of the ratio and concentrations of nitrogen and phosphorus can be a sustainable strategy for the management of these lakes.


Efficacy of point source legislation quantified for a 64-year river water quality trajectory of phosphorus loading


Hildebrandt, S.; Krüger, E.H.; Ruhl, A.S.; Borchardt, D. (2024) J. Environ. Manage 352

Changes in river water quality often follow typical trajectories characterized by sequential phases of degradation and recovery induced by management measures, typically achieved with combinations of legislative and technological interventions. However, the key question about the effectiveness of the different types of legal interventions – source control, use-related, and end-of-pipe – remains poorly understood. With the case of phosphorus (P), we analysed P-related legislation targeting point source pollution and its implementation and linked their development with measured total phosphorus (TP) concentrations of the river Ruhr (Germany). Our study demonstrates that source control measures should be prioritized, because they are the fastest way to curb emissions. These findings provide insights that can inform efficient decision-making regarding water quality, as well as effective policy-making and management for other pollutants requiring control from point sources.


Stoichiometry on the edge—humans induce strong imbalances of reactive C:N:P ratios in streams

Wachholz, A., Dehaspe, J., Ebeling, P., Kumar, R., Musolff, A., Saavedra, F., Winter, C., Yang, S., Graeber, D.  (2023) Environ. Res. Lett. 18 (4), art. 044016.

This study presents a new approach for classifying macronutrient stoichiometry in streams and rivers. Many ecosystem functions are affected by the stoichiometry of reactive molecular forms of dissolved organic carbon (rOC), nitrogen (rN), and phosphorus (rP). We propose assessing reactive nutrient ratios rOC:rN:rP relative to organismic demands to understand nutrient depletion versus excess in German streams. In our study, 94% of 574 German catchments show depletion or co-depletion in rOC and rP, revealing excess N in anthropogenically influenced landscapes. Spatial patterns of depletion classes are linked to agriculture, hydrogeology, and topographic controls. We classified catchments into stoichio-static and stoichio-dynamic based on intra-annual rOC:rN:rP variability. Imbalances in rOC:rN:rP ratios in German rivers can affect nutrient retention efficiency, eutrophication, and the carbon cycle, necessitating holistic catchment and aquatic ecosystem management that integrates macronutrient stoichiometry.


Bimodality and alternative equilibria do not help explain long-term patterns in shallow lake chlorophyll-a

Davidson, T.A., Sayer, C.D., Jeppesen, E., Søndergaard, M., Lauridsen, T.L., Johansson, L.S., Baker, A., Graeber, D. (2023) Nat. Commun. 14, art. 398.

Shallow lakes can take on two alternative stable states – according to a theory on ecological equilibrium in limnology. This paradigm has now been called into question by a study conducted together with Aarhus University (Denmark) and published in the journal Nature Communications. In a data analysis of 902 shallow lakes, we found no evidence for the existence of two alternative stable states. We are critical of lake management measures based on this theory and recommend that greater emphasis be placed on the reduction of nutrient inputs in the future to ensure the ecological equilibrium of shallow lakes.


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  • Schmidt, C., Jomaa, S., Bärlund, I., Büttner, O., Borchardt, D., Kumar, R., Batool, M., Schenk, K., Heege, T., Bauer, P., Bernert, H., Flörke, M., Rivera, J., Dürr, H., Kynast, E., Paulsen, H., Rothstein, U., Blitza, H. (2023):
    Quality known. GlobeWQ final report
    Helmholtz Centre for Environmental Research GmbH - UFZ [u.a.], Leipzig, 90 pp.
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  • Borchardt, D. (2021):
    Ökosysteme Flüsse und Seen
    In: Böcher, M., Boetius, A., Borchardt, D., Grethe, H., Gutow, L., Haase, D., Hain, S., Ibisch, P., Jacob, K., Joosten, H., Niebert, K., Pörtner, H.-O., Settele, J., Zinngrebe, Y. (Hrsg.)
    Naturschutzpolitischer Aufbruch jetzt: Für ein Jahrzehnt des naturschutzbasierten Klimaschutzes und der Biodiversitätspolitik. Orientierungspapier Biodiversität für die Koalitionsverhandlungen – Oktober 2021
    Sustainable Development Solutions Network Germany (SDSN Germany), Bonn, S. 24 - 26
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  • Hofmann, J., Battogtokh, D., Borchardt, D., Dombrowsky, I., Galbadrakh, L., Jadambaa, N., Karthe, D., Oczipka, M., Paulsen, H., Pfeiffer, M., Saulyegul, A., Scharaw, B., Ulambadrakh, K. (eds., 2017):
    Kharaa - Yeröö River Basin Atlas. 2nd Edition
    Kharaa-Yeröö River Basin Administration (KYRBA), Institute of Geography and Geoecology (IGG) [u.a.], Ulaanbaatar, Berlin, 106 pp.
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  • Hofman, J., Westphal, K., Karthe, D., Saulyegul, A., Ibisch, R., Schäffer, M., Heldt, S. (2017):
    Risk assessment of surface water bodies
    In: Hofmann, J., Battogtokh, D., Borchardt, D., Dombrowsky, I., Galbadrakh, L., Jadambaa, N., Karthe, D., Oczipka, M., Paulsen, H., Pfeiffer, M., Saulyegul, A., Scharaw, B., Ulambadrakh, K. (eds.)
    Kharaa - Yeröö River Basin Atlas. 2nd Edition
    Kharaa-Yeröö River Basin Administration (KYRBA), Institute of Geography and Geoecology (IGG) [u.a.], Ulaanbaatar, Berlin, p. 7.6
  • Karthe, D. (2017):
    Von nationaler auf globaler Ebene – der Beitrag der Gesundheitsgeografie zur Global Change Forschung
    In: Augustin, J., Koller, D. (Hrsg.)
    Geografie der Gesundheit : die räumliche Dimension von Epidemiologie und Versorgung
    Hogrefe, Bern, S. 243
  • Karthe, D., Traoré, I. (2017):
    Geografische Determinanten und Ausbreitungsmuster vektorübertragener Infektionskrankheiten in Westafrika
    In: Augustin, J., Koller, D. (Hrsg.)
    Geografie der Gesundheit : die räumliche Dimension von Epidemiologie und Versorgung
    Hogrefe, Bern, S. 268 - 279
  • Karthe, D., Westphal, K., Saulyegul, A., Renchinbud, B. (2017):
    Hygienic monitoring
    In: Hofmann, J., Battogtokh, D., Borchardt, D., Dombrowsky, I., Galbadrakh, L., Jadambaa, N., Karthe, D., Oczipka, M., Paulsen, H., Pfeiffer, M., Saulyegul, A., Scharaw, B., Ulambadrakh, K. (eds.)
    Kharaa - Yeröö River Basin Atlas. 2nd Edition
    Kharaa-Yeröö River Basin Administration (KYRBA), Institute of Geography and Geoecology (IGG) [u.a.], Ulaanbaatar, Berlin, p. 6.9
  • Westphal, K., Javzan, C., Hofman, J., Saulyegul, A., Renchinbud, B., Nergui, S. (2017):
    Surface water quality monitoring
    In: Hofmann, J., Battogtokh, D., Borchardt, D., Dombrowsky, I., Galbadrakh, L., Jadambaa, N., Karthe, D., Oczipka, M., Paulsen, H., Pfeiffer, M., Saulyegul, A., Scharaw, B., Ulambadrakh, K. (eds.)
    Kharaa - Yeröö River Basin Atlas. 2nd Edition
    Kharaa-Yeröö River Basin Administration (KYRBA), Institute of Geography and Geoecology (IGG) [u.a.], Ulaanbaatar, Berlin, p. 6.5
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  • Karthe, D., Behrmann, O., Blättel, V., Elsässer, D., Heese, C., Hügle, M., Hufert, F., Kunze, A., Niessner, R., Otto, J., Scharaw, B., Spoo, M., Tiehm, A., Urban, G., Vosseler, S., Westerhoff, T., Seidel, M., Dame, G. (2017):
    Innovative Hygieneüberwachung von Roh- und Trinkwasser
    In: Libbe, J., Nickel, D., Bock, S., Langer, M., Wilhelm, C., Beißwenger, K.-D. (Hrsg.)
    Wasserinfrastrukturen für die zukunftsfähige Stadt – Beiträge aus der INIS-Forschung
    Deutsches Institut für Urbanistik (DIFU), Berlin, S. 60 - 63
  • Karthe, D., Rehkopp, N., Reeh, T., Faust, H. (2017):
    Klimawandel und demografischer Wandel: potenzielle Gefährdungen für die Trinkwasserhygiene von morgen
    In: Libbe, J., Nickel, D., Bock, S., Langer, M., Wilhelm, C., Beißwenger, K.-D. (Hrsg.)
    Wasserinfrastrukturen für die zukunftsfähige Stadt – Beiträge aus der INIS-Forschung
    Deutsches Institut für Urbanistik (DIFU), Berlin, S. 30 - 33
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  • Bärlund, I., da Costa, M.P., Modak, P., Mensah, A.M., Gordon, C., Babel, M.S., Kamphaengthong, P.L., Dickens, C., Jomaa, S., Benabdallah, S., Riahi, K., Ollesch, G., Swaney, D., Limburg, K., Farrar, K., Alcamo, J. (2016):
    Water pollution in river basins
    UNEP 2016. A snapshot of the world’s water quality: towards a global assessment
    United Nations Environment Programme (UNEP), Nairobi, p. 49 - 80
  • Borchardt, D., Gordon, C., Mensah, A.M., Dannisøe, J.G., Müller, R.A., Alcamo, J. (2016):
    Solutions to the water quality challenge: a preliminary review
    UNEP 2016. A snapshot of the world’s water quality: towards a global assessment
    United Nations Environment Programme (UNEP), Nairobi, p. 81 - 94
  • Flörke, M., Alcamo, J., Malsy, M., Reder, K., Fink, G., Fink, J., Völker, J., Borchardt, D., Rinke, K. (2016):
    Water pollution on the global scale
    UNEP 2016. A snapshot of the world’s water quality: towards a global assessment
    United Nations Environment Programme (UNEP), Nairobi, p. 15 - 49
  • Tittel, J., Büttner, O., Frassl, M., Heider, S., Kamjunke, N., Morling, K., Musolff, A., Raeke, J., Selle, B. (2016):
    Prognose - Faktoren der langfristingen Veränderung der DOC-Konzentrationen: Teilprojekt 2
    In: Tittel, J., Kamjunke, N. (Hrsg.)
    Belastung von Trinkwassertalsperren durch gelösten organischen Kohlenstoff: Prognose, Vorsorge, Handlungsoptionen (TALKO); Schlussbericht zum Verbundvorhaben
    Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH – UFZ; DVGW - Deutsche Vereinigung des Gas- und Wasserfaches e.V.; Technologiezentrum Wasser (TZW) - Außenstelle Dresden; IDUS Biologisch Analytisches Umweltlabor GmbH, Leipzig, Megdeburg, Dresden, Ottendorf-Okrilla, S. 53 - 100
  • Völker, J., Dietrich, D., Borchardt, D., Saile, P., Lausch, A., Heege, T. (2016):
    State of observational knowledge
    UNEP 2016. A snapshot of the world’s water quality: towards a global assessment
    United Nations Environment Programme (UNEP), Nairobi, p. 7 - 14
  • Yu, D.J., Rao, S.C., Klinkhamer, C., Krueger, E., Sangwan, N. (2016):
    Aligning different schools of thought on resilience of complex systems and networks

    In: Linkov, I., Florin, M.-V., Trump, B., Bürkler, M. (eds.)
    IRGC Resource Guide on Resilience
    International Risk Governance Council - IRGC, Lausanne, p. 1 - 9
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  • Karthe, D. (2015):
    Hygienemonitoring von Roh- und Trinkwasser
    In: Bock, S., Libbe, J., Nickel, D., Beißwenger, K.-D., Düsterdiek, B. (Hrsg.)
    Starkregen und Hitzewellen: Die Stadt im Klimawandel fordert die kommunale Wasserwirtschaft heraus. Themen, Projekte und Lösungen aus der BMBF-Fördermaßnahme INIS
    DStGB-Dokumentation 133
    Winkler & Stenzel, Burgwedel, S. 10 - 11
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  • von der Ohe, P.C., Apitz, S.E., Arbaciauskas, K., Beketov, M.A., Borchardt, D., de Zwart, D., Goedkoop, W., Hein, M., Hellsten, S., Hering, D., Kefford, B.J., Panov, V.E., Schäfer, R.B., Segner, H., van Gils, J., Vegter, J.J., Wetzel, M.A., Brack, W. (2014):
    Status and causal pathway assessments supporting river basin management
    In: Brils, J., Brack, W., Müller-Grabherr, D., Négrel, P., Vermaat, J.E. (eds.)
    Risk-informed management of European river basins
    Handbook of Environmental Chemistry Series 29
    Springer, Berlin, Heidelberg, p. 53 - 149
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  • Illgen, C., Nitsche, C., Hüsers, N., Klotzsch, S., Albert, T., Vienken, T., Dietrich, P., Vogel, T. (2013):
    Tracerversuche im Rahmen des Forschungsvorhabens MNA/ENA in Wülknitz
    In: Kardel, K., Ihling, H., Illgen, C., Gruhne, S., Bräunig, A., Tannert, R., Hoffmann, R., Kästner, A., Wilscher, S., Enzner, V., Kühn, D., Knippert, D., Schuster, P., Fichtner, T., Schlönvoigt, H., Paffrath, I., Nitsche, C., Hüsers, N., Klotzsch, S., Albert, T., Vienken, T., Dietrich, P., Umoh, D., Knöller, K., Jeschke, C., Vogel, T. (Hrsg.)
    Grundwasser – Altlasten – Boden aktuell
    Schriftenreihe des LfULG 30
    Sächsisches Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie (LfULG), Dresden, S. 23 - 30
  • Völker, J. (2013):
    Die Gewässerbewirtschaftung mit der Wasserrahmenrichtlinie : Grundlagen, Ziele und Umsetzungsstrategien
    Gewässerbewirtschaftung und Schutz der Fischbestände
    Fischerei und Naturschutz : VDSF-Schriftenreihe 15
    VDSF, Verband Deutscher Sportfischer e.V., Offenbach, S. 9 - 10
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  • Borchardt, D. (2010):
    Biodiversität und Wasser
    UFZ-Experten in Sachen Biodiversität
    Dezember 2010
    Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung - UFZ, Leipzig, S. 26 - 28
  • Borchardt, D. (2007):
    Brauchen Gewässer noch weitere Behandlungsstufen auf Kläranlagen?
    Wie sieht die Abwasserbehandlung der Zukunft aus? Vierte, fünfte, sechste Reinigungsstufe? 82. Darmstädter Seminar -Abwassertechnik- am 15. November 2007 in Darmstadt
    Schriftenreihe WAR 190
    Institut WAR, Darmstadt, S. 31 - 40
  • Rode, M., Suhr, U. (2005):
    Surface water quality data
    In: van Loon, E., Refsgaard, J.C. (eds.)
    Guidelines for assessing data uncertainty in river basin management studies. HarmoniRiB Report Contract EVK1-CT-2002-00109
    GEUS Geological Survey of Denmark and Greenland, Copenhagen, p. 8-1 - 8-17
  • Rode, M. (2000):
    Die ökologische Entwicklung der Elbe
    Flusslandschaften - Forschung an der Elbe
    UFZ-Magazin Lebensräume 5
    UFZ Leipzig-Halle GmbH, Leipzig, S. 10 - 11
  • Rode, M., Scholz, M. (2000):
    Auen als Teil der Flusslandschaft
    UFZ-Jahresbericht '98-'99
    UFZ Leipzig-Halle GmbH, Leipzig, S. 110 - 119
  • Wendt-Potthoff, K., Langner, C. (2000):
    Sediment microbiology and biogeochemistry of the iron cycle in a young acidic mining lake
    In: Friese, K., Kirschner, K., Schultze, M., Wendt-Potthoff, K. (eds.)
    Geochemische und mikrobiologische Vorgänge in Sedimenten und an der Sediment-Wasser-Grenzschicht in Restseen von Bergbaufolgelandschaften - UFZ-Workshop, Leipzig, 23.-25.2.2000
    UFZ-Bericht 6/2000
    UFZ Leipzig-Halle GmbH, Leipzig, p. 11 - 12
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  • Schmitt, T.G., Borchardt, D. (Hrsg., 2023): Merkblatt DWA-M 102-5/BWK-M 3-5 - Grundsätze zur Bewirtschaftung und Behandlung von Regenwetterabflüssen zur Einleitung in Oberflächengewässer - Teil 5: Hydromorphologische und biologische Verfahren zur immissionsbezogenen Bewertung Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V. (DWA) & Bund der Ingenieure für Wasserwirtschaft, Abfallwirtschaft und Kulturbau e.V. (BWK), Hennef; Lüneburg, 32 S.
  • Schmitt, T.G., Borchardt, D. (Hrsg., 2022): Merkblatt DWA-M 102-4/BWK-M 3-4 - Grundsätze zur Bewirtschaftung und Behandlung von Regenwetterabflüssen zur Einleitung in Oberflächengewässer - Teil 4: Wasserhaushaltsbilanz für die Bewirtschaftung des Niederschlagswassers Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V. (DWA) & Bund der Ingenieure für Wasserwirtschaft, Abfallwirtschaft und Kulturbau e.V. (BWK), Hennef; Lüneburg, 50 S.
  • Schmitt, T.G., Borchardt, D. (Hrsg., 2021): Merkblatt DWA-M 102-3/BWK-M 3-3 - Grundsätze zur Bewirtschaftung und Behandlung von Regenwetterabflüssen zur Einleitung in Oberflächengewässer - Teil 3: Immissionsbezogene Bewertungen und Regelungen Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V. (DWA) & Bund der Ingenieure für Wasserwirtschaft, Abfallwirtschaft und Kulturbau e.V. (BWK), Hennef; Lüneburg, 103 S.
  • Schmitt, T. G., Beck, R., Becker, M., Borchardt, D., Bürgel, B., Dittmer, U., Fuchs, S., Haller, B., Joswig, K., Mertsch, V., Podraza, P., Uhl, M., Weß, G., Welker, A. (2021). Grundsätze zur Bewirtschaftung und Behandlung von Regenwetterabflüssen zur Einleitung in Oberflächengewässer - Teil 1: Allgemeines. Hrsg. Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfalls (DWA). ISBN 978-3-96862-2.
  • Schmitt, T. G., Beck, R., Becker, M., Borchardt, D., Bürgel, B., Dittmer, U., Fuchs, S., Haller, B., Joswig, K., Mertsch, V., Podraza, P., Uhl, M., Weß, G., Welker, A. (2021). Grundsätze zur Bewirtschaftung und Behandlung von Regenwetterabflüssen zur Einleitung in Oberflächengewässer - Teil 2: Emissionsbezogenen Bewertungen und Regelungen. Hrsg. Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfalls (DWA). ISBN 978-3-96862-6.
  • Borchardt, D., Bürgel, B., Durchschlag, A., Grimm, O., Grottker, M., Halle, M., Podraza, P., Schitthelm, D. und M. Uhl (2007). Ableitung von immissionsorientierten Anforderungen an Misch- und Niederschlagswassereinleitungen unter Berücksichtigung örtlicher Verhältnisse. Merkblatt 3 des Bund der Ingenieure für Wasserwirtschaft, Abfallwirtschaft und Kulturbau (BWK). Düsseldorf. 4. überarb. Aufl. 40 S..
  • Schmitt, T. G., Borchardt, D., Bürgel, B., Fuchs, St., Haller, B., Joswig, K., Krebs, P., Meißner, E., Mertsch, V., Podraza, P., Remmler, F., Uhl, M., Welker, A., Willems, G. (2006). Leitlinien der integralen Entwässerungsplanung. DWA Arbeitsblatt A 100 der Deutschen Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall (DWA). Hennef. 42 S..
  • Borchardt, D., Günther, C. und I. Brehmer (2005). Leitfaden für das Erkennen kritischer Gewässerbelastungen durch Abwassereinleitungen – Handlungsanleitung. Hessisches Ministerium für Umwelt, ländlichen Raum und Verbraucherschutz Wiesbaden, 114 S..
  • Borchardt, D., Günther, C. und I. Brehmer (2005). Leitfaden für das Erkennen kritischer Gewässerbelastungen durch Abwassereinleitungen – Begleitband. Hessisches Ministerium für Umwelt, ländlichen Raum und Verbraucherschutz Wiesbaden, 216 S..
  • Borchardt, D., Bürgel, B., Durchschlag, A., Grimm, O., Grottker, M., Halle, M., Podraza, P., Schitthelm, D. und M. Uhl (2004). Ableitung von immissionsorientierten Anforderungen an Misch- und Niederschlagswassereinleitungen unter Berücksichtigung örtlicher Verhältnisse. Merkblatt 3 des Bund der Ingenieure für Wasserwirtschaft, Abfallwirtschaft und Kulturbau (BWK). Düsseldorf. 2. überarb. Aufl. 40 S..
  • Borchardt, D., Bürgel, B., Durchschlag, A., Grimm, O., Grottker, M., Halle, M., Podraza, P., Schitthelm, D. und M. Uhl (2003). Ableitung von immissionsorientierten Anforderungen an Misch- und Niederschlagswassereinleitungen unter Berücksichtigung örtlicher Verhältnisse. Materialien. Düsseldorf. 124 S..
  • Krejci, V., Borchardt, D., Brombach, H., Krier, H., Mehlhart, G. und F. (2003). Hinweise zur Wirksamkeit und Kosten gewässerbezogener Maßnahmen zur Regenwasserbehandlung in der Stadtentwässerung: Planungsmethoden und Beispiele. ATV-DVWK-Arbeitsbericht 03/2003. Gfa Verlag Hennef. 56 S..