Schwerpunktthema November 2011

Wasser und Ökologie

Ohne Wasser kein Leben. Wenige Worte, die sehr komprimiert die Erkenntnis beschreiben, dass Wasser eine essentielle Ressource für alle Lebewesen ist. Über diesen ressourcenbezogenen Blickwinkel hinaus ist Wasser aber auch ein eigenständiger Lebensraum. Wasser bedeckt über 70 Prozent der Erdoberfläche. Damit nehmen aquatische Ökosysteme in unserer Biosphäre eine dominante Rolle ein. In ihnen sind über 700 Gigatonnen organischer Kohlenstoff enthalten. Das entspricht ungefähr der Menge an Kohlenstoff, welcher in Form von Kohlendioxid in der Atmosphäre enthaltenen ist, oder der Menge Kohlenstoff in allen Landpflanzen. Die Algen im Wasser leisten 45 Prozent der globalen Primärproduktion, obwohl sie lediglich ein Prozent der Weltpflanzenbiomasse ausmachen. Kurzum, die aquatischen Ökosysteme bestimmen maßgeblich die globalen Stoffkreisläufe. Deshalb ist ein gutes Verständnis ihrer Funktionsweise die Grundlage für einen verantwortungsvollen und nachhaltigen Umgang des Menschen mit den natürlichen Ressourcen auf unserem Planeten.

Hydropsyche sp.

Süßgewässer sind ein Hotspot der Biodiversität.
Arten der Gattung Hydropsyche gehören zu den Köcherfliegen (Trichoptera). Sie bauen keinen Köcher, sondern erstellen Netze, mit denen Nahrung aus dem Wasser gefiltert wird. Arten der Gattung Hydropsyche sind strikt an Fließgewässer gebunden, da sie passiv aus dem Wasser Nahrung filtrieren.
Foto: Sven Bauth/UFZ

Dikerogammarus villosus

Der Große Höckerflohkrebs (Dikerogammarus villosus) ist ein allesfressender Flohkrebs, der als eingewanderte Art inzwischen in fast allen deutschen Flüssen vorkommt. Er wird mit dem Aussterben heimischer Amphipoda in Verbindung gebracht. Sein Ursprungsgebiet sind die Unterläufe von Flüssen, die in das Schwarze Meer münden.
Foto: Sven Bauth/UFZ

Aquatische Ökosysteme stellen elementare Dienstleistungen für die Menschheit zur Verfügung. Sie sind Grundlage für Trink-, Brauch- und Bewässerungswasser, die biologische Selbstreinigung, Fischerei, Transport, Erholung und Biodiversität. Bei genauerer Betrachtung dieser Leistungen fällt auf, dass sie zu einem großen Teil von Süßgewässern zur Verfügung gestellt werden. Obwohl lediglich 0,3 Pozent des global verfügbaren Wassers in Flüssen und Seen enthalten ist, sind es jedoch genau diese Ökosysteme, welche elementare Dienstleistungen wie die Trink- und Brauchwasserversorgung bereitstellen. Nicht zufällig sind historische Zivilisationen und unsere heutigen großen urbanen Kulturräume entlang großer Flüsse und Seen entstanden. Aber nicht nur aus menschlicher Sicht, sondern auch aus ökologischem Blickwinkel spielen Süßwasser-Ökosysteme eine sehr große Rolle. Obwohl sie weniger als ein Prozent der Erdoberfläche ausmachen, sind sie Lebensraum für über zehn Prozent aller bekannten Tierarten. Bei Wirbeltieren beträgt der Anteil sogar 35 Prozent. Süßwasser bildet daher einen Hotspot der Biodiversität.

Wasser in der Wissenschaft "Ökologie"

Warum sich Ökologen für das Wasser - insbesondere das Süßwasser - interessieren, hat aber noch einen ganz anderen Grund: Aquatische Systeme eignen sich hervorragend für experimentelle Arbeiten. Ein experimenteller Ansatz hilft uns, Prozesse nicht nur zu messen, sondern auch zu verstehen, wie sie gesteuert werden. Hierdurch kann die ökologische Forschung wichtige Impulse für das gezielte Management von Ökosystemen und natürlichen Resourcen liefern.

Kein Ökologe kann die Räuber-Beute-Interaktionen zwischen Löwen und Gnus im Labor unter kontrollierten Randbedingungen untersuchen. Ebenso wenig lässt sich die Sukzession von Graslandschaften zu Waldsystemen unter konstanten Temperatur- und Nährstoffbedingungen im Freiland beobachten. Denn die räumlichen und zeitlichen Skalen vieler ökologischer Prozesse entziehen sich einer wissenschaftlichen Bearbeitung in Form des klassischen Experiments, in dem außer dem zu testenden Prozess alle anderen Umweltfaktoren konstant gehalten werden. Diese philosophisch bedingten Einschränkungen mögen zwar als akademische Fachsimpelei abgetan werden. Sie sind aber in der Tat einer der Gründe, dass die Ökologie soviel Zeit benötigte, um sich zu einer exakten Wissenschaft zu entwickeln.

MOBICOS - Wasserforschung im Container

MOBICOS-Container an der Elbe

MOBICOS-Container an der Elbe
Foto: Helge Norf/UFZ

MOBICOS (Mobile Aquatic Mesocosms) sind in oder an Gewässern stationierte mobile Container, in denen naturnahe Untersuchungen und Experimente durchgeführt werden können. Das Oberflächenwasser wird im Container in Versuchsbecken, welche den Umweltkompartimenten nachempfunden sind, geleitet und kann dann dort untersucht oder "experimentell" manipuliert werden. Durch gezielte Manipulationen kann so die Reaktion von Ökosystemen auf neuartige Stressoren (einzeln oder in Kombination) getestet werden. Gleichzeitig können Maßnahmen zur Verbesserung von Ökosystemleistungen experimentell überprüft werden. Beides bildet eine wichtige Voraussetzung für die wissenschaftlich fundierte Erarbeitung von Managementstrategien. Die Container können universell in fließenden, aber auch stehenden Gewässern eingesetzt werden. Der Einsatz der mobilen Mesokosmen im Bodeeinzugsgebiet innerhalb des "Terrestrial Environmental Observatory" der Helmholtz-Gemeinschaft (TERENO) ist nur eine von vielen verschiedenen Nutzungsmöglichkeiten der mobilen "Experimentierboxen". MOBICOS ist darüber hinaus eine Plattform, die auch von externen Kooperationspartnern genutzt werden kann.

Erst die Ausrichtung auf aquatische Systeme machte es den Ökologen möglich, einen mechanistischen, system-orientierten Ansatz zu entwickeln, der heute die Grundlage der modernen Ökologie ist. Denn viele der komplexen Interaktionen zwischen Organismen und ihrer Umwelt lassen sich in einem Glas Wasser beobachten. In jedem Tropfen Wasser aus einem See oder Fluss existieren unzählige Organismen, die miteinander in Konkurrenz stehen, sich vermehren, Ressourcen konsumieren oder als Räuber andere Organismen jagen. In einem Glas Wasser "stecken" also dieselben Dynamiken und Gesetzmäßigkeiten, die in der Serengeti, im Ozean oder im tropischen Regenwald wirken. Im Gegensatz zu den Bedingungen im Freiland sind die Bedingungen im Labor kontrolliert. Und nur so ist experimentelles Arbeiten möglich.

Als G.F. Gause in den 1930er Jahren das Exklusionsprinzip formulierte - ein grundlegendes Gesetz in der Ökologie, welches besagt, dass zwei Organismen nicht koexistieren können, wenn sie dieselbe ökologische Nische besetzen - machte er sich diese Vorteile zu Nutze. Er arbeitete mit verschiedenen Einzellern, die er in Bechergläsern mit Wasser kultivierte und untersuchte. Gause legte damit eine wichtige Grundlage für unser heutiges Verständnis von Konkurrenzbeziehungen zwischen Organismen und letztlich der Dynamik von Ökosystemen. Jedoch werden die Fragestellungen mit zunehmendem Wissensfortschritt und mit neuen Herausforderungen im Zuge des globalen Wandels immer komplexer. Über das Erforschen genereller Prinzipien im kleinen Mikrokosmos hinaus wollen wir heute auch verstehen, wie sich Ökosysteme in Zukunft ändern. Auch wollen wir wissen, an welchen "Schrauben" gedreht werden kann, um die Serviceleistungen von Ökosystemen in einer sich wandelnden Welt zu erhalten. Wir müssen also unsere experimentellen Manipulationen (z.B. die Zugabe neuartiger Umweltchemikalien) in einen möglichst naturnahen Kontext setzen. Nicht zuletzt aus diesem Grunde entwickelt das UFZ derzeitig eine große mobile Mesokosmenanlage (MOBICOS), welche Ökologen und Umweltwissenschaftlern als Forschungsplattform dient, um die Steuerung elementarer Prozesse, Leistungen und Eigenschaften von Ökosystemen in einer kontrollierten Umgebung zu untersuchen.

Belastungen aquatischer Ökosysteme durch den Menschen

Dank der sich rasch entwickelnden aquatischen Ökologie, die in ihrer modernen Form seit etwa 100 Jahren betrieben wird, hat sich unser Verständnis von der Funktionsweise aquatischer Ökosysteme deutlich verbessert. Mit diesem Wissen - etwa über die wesentlichen Stressoren in Flüssen und Seen - war es möglich, in zahlreichen Industrieländern Maßnahmen zur Verbesserung ihres ökologischen Zustandes erfolgreich umzusetzen.

Muschelaquarien der MOBICOS-Analage

In der MOBICOS-Anlage findet eine Vergleichsstudie zum Wachstum von Körbchenmuscheln (Corbicula fluminea) in Rhein und Elbe statt. Die Muschel filtriert Partikel aus der Wassersäule und kann die Belastung durch übermäßiges Wachstum von Algen reduzieren. Im Rhein kommt die Muschel in großen Mengen vor. Sie ist jedoch in der Elbe relativ selten, obwohl beispielsweise das Nahrungsangebot und die Sedimente optimal sind. Ein identisches Experiment läuft auf der Ökologischen Rheinstation in Köln, um die Frage beantworten zu können: Was sind die Ursachen für die unterschiedlichen Häufigkeiten der Körchenmuschel in Rhein und Elbe?
Foto: Helge Norf/UFZ

Beispielsweise identifizierten Wissenschaftler in den 1970er Jahren mit substanzieller Unterstützung durch die OECD (Organisation for Economic Co-operation and Development) die Ursache der galoppierenden Eutrophierung von Oberflächengewässern: die steigende Phosphatkonzentration in Gewässern. Denn Phosphor ist die primäre begrenzende Ressource für das Wachstum von Algen. Diese Erkenntnis hat dazu geführt, dass der Phosphoreintrag in unsere Gewässer deutlich reduziert wurde. Es wurden Technologien entwickelt, um Phosphat aus dem Abwasser zu entfernen. In vielen Ländern wird inzwischen auf den Zusatz von Phosphaten in Waschmitteln verzichtet.

Ein Musterbeispiel für die Bekämpfung der Eutrophierung ist der Bodensee. Im See, der insgesamt über vier Millionen Menschen mit Trinkwasser versorgt, war gegen Ende der 1970er Jahre der Phosphorgehalt im Vergleich zu dem natürlichen Zustand mehr als zehnfach erhöht. Mit bedrohlichen Folgen: Die Konzentration potenziell giftiger Blaualgen nahm stetig zu und die Sauerstoffkonzentration im Tiefenwasser verringerte sich dramatisch. Der massive Ausbau der Abwasserbehandlung im Einzugsgebiet aller Anrainerstaaten brachte in den frühen 80er Jahren die entscheidende Trendumkehr. Heute hat der Bodensee seinen natürlichen Zustand fast zurück erlangt und ist als oligotrophes (nährstoffarmes) Gewässer klassifiziert. Die Kosten der Bodenseesanierung (die nebenbei bemerkt ein bemerkenswertes Beispiel für erfolgreiche, transnationale Wasserwirtschaft darstellt) beliefen sich auf vier Milliarden Dollar. Gleichwohl diese Investition für einen See luxuriös erscheinen mag, hilft ein zweiter Blick: Mit 1.000 Dollar pro Kopf konnte die Trinkwasserversorgung für vier Millionen Menschen nachhaltig gesichert werden. Eine Investition, die sicher auch in vielen anderen - vor allem wasserarmen - Regionen dieser Welt sinnvoll und lohnenswert wäre.

Die Belastung der Gewässer durch Nährstoffe ist mittlerweile in Deutschland deutlich zurückgegangen. Trotz der Anstrengungen und Erfolge liegt die Nährstoffbelastung in heutigen Gewässern oft weit über den natürlichen Hintergrundwerten. Die oft aus diffusen Quellen stammenden Nährstoffe lassen sich jedoch nicht immer durch technisch mögliche und wirtschaftlich vertretbare Maßnahmen weiter reduzieren. Hier ist, parallel zu weiteren Bemühungen zur Nährstoffreduktion, auch die ökologische Forschung gefragt: Welche Struktur brauchen Ökosysteme, um trotz gegebener Nährstoffbelastung optimal zu funktionieren? Und was können wir tun, um dies zu verbessern? Solche Fragen zur Eutrophierung sollen unter anderem in MOBICOS geklärt werden. Denn insbesondere in den sogenannten Schwellenländern tritt diese Eutrophierungsproblematik verstärkt auf. Hier wiederholt sich eine Entwicklung, die die Industrieländer bereits durchgemacht haben: Die industrielle und agrartechnische Entwicklung verläuft rasanter als die Entwicklung von Nachhaltigkeit und Ressourceneffizienz und geht somit zunächst auf Kosten der Umwelt, insbesondere der aquatischen.

Neben den klassischen Belastungen durch Nährstoffe und Giftstoffe treten zunehmend neuartige Stressoren in den Vordergrund. Globalisierung, Klimaveränderungen, Landnutzungswandel und demografischer Wandel bringen einen ganzen Cocktail multipler Stressoren mit sich. Es bleibt bislang offen, wie die aquatischen Ökosysteme darauf reagieren und welche Konsequenzen das für die anthropogenen Nutzungen haben wird.

Belastbare Prognosen setzen ein sehr gutes quantitatives Verständnis der ökologischen Wirkzusammenhänge voraus, welches jedoch nicht in allen Bereichen vorhanden ist. Zahlreiche Studien zeigen allerdings, dass verschiedene Ökosysteme auf bestimmte Stressoren unterschiedlich empfindlich reagieren. In manchen Ökosystemen existieren offensichtlich optimierte interne Ökosystemstrukturen, die bewirken, dass sie auf äußere Stressoren weniger sensitiv reagieren.

Die Einheit von Gewässer und Einzugsgebiet

Fluss Bode in Sachsen-Anhalt

Flüsse sind als Haupt-Transportweg zwischen Land und Meer im Grunde eine Art "Blutgefäß", durch die viele Materialen hindurchströmen. Und ähnlich einem medizinischen "Bluttest" ist für Biologen und Hydrologen die Untersuchung des Wassers ein "Schnelltest", der Auskunft über den Zustand der Landschaft gibt.
Foto: André Künzelmann/UFZ

Rappbodetalsperre im Harz

Die Wasserqualität von Trinkwassertalsperren leidet zunehmend unter den steigenden organischen Kohlenstoffgehalten (DOC) im Wasser. Um die dazu führenden Prozesse besser zu verstehen und um Prognosen aufzustellen, etabliert das UFZ zurzeit ein Talsperrenobservatorium an der Rappbodetalsperre im Ostharz, der größten Trinkwassertalsperre Deutschlands.
Foto: André Künzelmann/UFZ

Das Beispiel der Eutrophierung dokumentiert ebenfalls anschaulich, wie sehr der Zustand unserer Gewässer durch menschliche Aktivitäten im Einzugsgebiet beeinflusst wird. Angetrieben durch den hydrologischen Kreislauf werden fortwährend gelöstes und partikuläres Material aus dem Einzugsgebiet in die Gewässer transportiert. Die Flüsse und Seen als Haupt-Transportweg zwischen Land und Meer sind somit im Grunde eine Art "Blutgefäß", durch das alle Materialen hindurchströmen, wenn sie aus der Landfläche mobilisiert werden. Lediglich der aerosolgebundene Transport in der Atmosphäre stellt hiervon eine Ausnahme dar. Und genau wie Mediziner das Blut untersuchen, um etwas über den Zustand des Körpers zu erfahren, ist für Biologen und Hydrologen die Untersuchung des Wassers ein "Schnelltest". Die Gewässer sind letztlich empfindliche Sensoren in der Landschaft. Ihre Untersuchung macht es möglich, Prozesse zu erfassen, die in der Fläche des Einzugsgebietes sonst nur schwer greifbar sind. In einer sich rasant ändernden Welt sind die Gewässer deshalb ein wichtiges Studienobjekt, um die Auswirkungen des Menschen auf seine Umwelt zu verstehen.

Die engen Interaktionen zwischen Landschaft und Gewässer zeigen sich zum Beispiel in folgender Entwicklung: Seit über 20 Jahren beobachten Limnologen einen kontinuierlichen Anstieg des gelösten organischen Kohlenstoffs (DOC) in den Oberflächengewässern. Gleichzeitig nimmt der Gehalt an organischem Kohlenstoff in Böden ab. Während also Böden degradieren, werden gleichzeitig die Nutzungsmöglichkeiten von Oberflächengewässern eingeschränkt. So leidet z.B. die Wasserqualität von Trinkwassertalsperren zunehmend unter den steigenden organischen Kohlenstoffgehalten (DOC) im Wasser, und die Aufbereitung der Rohwässer im Wasserwerk wird kostenintensiver und technisch schwieriger. Um die Prozesse, die am Umsatz des gelösten organischen Kohlenstoffs beteiligt sind, besser zu verstehen und um Prognosen für den weiteren Verlauf dieser Entwicklung zu generieren, ist ein Verständnis der Einheit von Einzugsgebiet und Gewässer zwingend erforderlich. Hierfür etabliert das UFZ zurzeit ein Talsperrenobservatorium an der Rappbodetalsperre im Ostharz, der größten Trinkwassertalsperre Deutschlands. In enger Kooperation mit dem Talsperrenbetreiber (Talsperrenbetrieb Sachsen-Anhalt) und dem Wasserversorger (Fernwasserversorger Elbaue-Ostharz) installieren UFZ-Wissenschaftler ein zeitlich hoch auflösendes Messnetz in und um die Talsperre. Die komplexen Interaktionen zwischen Einzugsgebiet und Talsperre können somit quantitativ erfasst und als Datengrundlage für die Entwicklung prognosefähiger Prozessmodelle verwendet werden.

Über die Grenzen der aquatischen Ökosysteme hinausblickend ergibt sich für die Ökologen nun die Herausforderung, die Gewässer im Kontext mit der Landschaft zu verstehen. Die komplexen und weitreichenden Eingriffe des Menschen in die Biosphäre und ihre Folgen hat Nobelpreisträger Paul Crutzen mit dem Begriff "Anthropozän" prägnant charakterisiert: Die globalen menschlichen Eingriffe verlangen eine kompartimentübergreifende Betrachtung der globalen Stoffflüsse und deren Interaktionen. Für die Wasserforschung ist das eine große Herausforderung, da Ökologen, Hydrologen, Bodenwissenschaftler, Meteorologen und Ingenieure fachübergreifend zusammenarbeiten müssen - also auch über ihr "Kompartiment" hinaus.

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Referenzen (Auswahl)

Rinke, K., Huber, A.M.R., Kempke, S., Eder, M., Wolf, T., Probst, W.N. & Rothhaupt, K.O. (2009).
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Rinke,K., Hübner, I., Petzoldt, T., Rolinski, S., König-Rinke, M., Post, J., Lorke, A. & Benndorf, J. (2007).
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Rinke, K. & Rothhaupt, K.O. (2008).
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Weitere, M., Dahlmann, J., Viergutz, C. and Arndt, H. (2008):
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Weitere, M., Vohmann, A., Schulz, N., Linn, C., Dietrich, D. & Arndt, H. (2009):
Linking environmental warming to the fitness of the invasive clam Corbicula fluminea. Global Change Biology 15: 2838-2851.

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