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During open-cast lignite mining in Lusatia (NE Germany), iron sulfide minerals associated with lignite, are exposed to air and weather. The weathering products iron (Fe), sulfate and acids subsequently enter the fluvial-lacustrine system Spree and its tributaries.
The aim of this work was to identify and explain the evolving biogeochemical signatures (spatio-temporal patterns) in River Spree. These signatures are significantly influenced by biogeochemical turnover processes triggered by iron input. To identify the signatures, a regional field study was conducted from the inland delta Spreewald to the mouth. This study was followed by two laboratory experiments under controlled redox conditions to investigate the effect of Fe on the long-term binding of phosphorus and the degradation of particulate organic material in the iron-enriched sediments.
Characteristic elements introduced by lignite mining (iron, sulfur, aluminum, cobalt, nickel) and by urban areas (zinc, lead, copper, chromium) could be determined by means of a principal component analysis. Based on these findings, the impact range of the open-cast mining was determined to be at least ~ 90 km downstream of the Spreewald. Within the urban-influenced systems Fürstenwalde and Berlin, the urban signature is more dominant than the mining signature. By means of sequential extractions and XRD analyses of the sediments, iron binding forms and characteristic iron minerals have been additionally identified (e.g., Fe(III) oxyhydroxides, pyrite, vivianite).
Sediment analyses and column experiments have shown that iron increases the phosphorus sorption and decreases the phosphorus release in the sediments of three studied lakes of the fluvial-lacustrine system. However, the application of different phosphorus retention models for Lake Neuendorfer See showed that Fe cannot reduce the eutrophic state of the lakes along the river, since the water retention times are too short and the external phosphorus loads are too high. Additionally, lake sediments with different Fe contents have been incubated with particulate organic material. Higher Fe contents resulted in reduced emissions of the greenhouse gases CO₂ and CH₄, which can be attributed to a reduced degradation of organic matter by Fe. Possible reasons include sorption processes of (dissolved) organic matter onto Fe oxyhydroxides and toxic effects of iron on microorganisms. Nevertheless, Fe (and sulfate) are available as electron acceptors during the decomposition of organic matter in River Spree.
The findings of this work deepen the understanding of the impact of iron from mining on sulfur, phosphorus and carbon turnover processes in fluvial-lacustrine systems. As a consequence of the Fe input from the Lusatian area, the signature will persist for decades in River Spree.
Intermittent rivers and ephemeral streams (IRES) experience drying events, and they are becoming increasingly common due to climate change and anthropogenic water withdrawal. Despite their prevalence, IRES have been less studied than non-drying rivers, and more research is needed to understand their dynamics. This dissertation examines drying events' effects on the sediment microbial community structure and biogeochemistry in temperate IRES. First, a research study was carried out using an outdoor mesocosm setup to track changes in bacterial and fungal communities, microbial functions and properties of sediment-dissolved organic carbon during three different drying events. Results showed that drying duration and intensity and sediment organic matter content regulated river Spree sediment microbial community composition and biogeochemical processes during drying. The associated sediment respiration, assessed as CO2 flux, rapidly declined during all drying treatments, and Bacilli class became the most dominant bacteria after 90 days of drying, except in non-enriched sediment under the most intense drying. Second, a microcosm experiment was conducted to understand how sediment drying history and properties influence biogeochemical dynamics during an IRES expansion phase. Sediment respiration and nutrient release/retention rates were measured through flow resumption, and results showed that drying duration and intensity and sediment organic matter content regulated the dynamics of nutrients and respiration upon flow resumption. Under the most intense and prolonged drying, non-enriched sediment showed a lag response in respiration during the first day after flow resumption, while all other treatments had either a linear increase or a fast pulse in respiration. Finally, the long-term microbial succession in IRES sediment and soil in the experimental catchment of Chicken Creek was investigated. In 2008 and 2018, the sediment of three ephemeral streams and their adjacent soil was analyzed for the structure of the bacterial and fungal communities and microbial functions across different seasons. Results showed that environmental factors, such as vegetation type and organic matter content, mediated sediment and soil microbial succession in Chicken Creek. Ephemeral streams under spare and sporadic flow events remained unique ecosystems with distinctive microbial communities and biogeochemical dynamics, different from its riparian soil. Overall, this dissertation concludes that temperate IRES are dynamic ecosystems where dry-wet cycles and environmental factors modulate their sediment microbial community structure and function trajectories in the short- and long term.
Indawgyi Lake is one of the largest lakes in East Asia. Due to its habitat diversity and its great importance for international bird migration, it has the status of an UNESCO biosphere reserve. In the last decades, anthropogenic pressures on the lake due to increasing population numbers, overfishing and intensification of agriculture and forestry as well as to the impacts by artisanal small-scale gold mining in the catchment area have increased sharply. As a result of gold mining, lake inflows have very high suspended matter loads, both from the washing of gold-bearing sediments and from soil erosion as a result of the destruction of the floodplain and of the forest close to the river. The input of sediments and suspended matter from the Hkaung Tung Hka Chaung River has led to massive deposits of river sediments in the southern part of Indawgyi Lake within a few years.
In the context of short-term investigations and a one-year monitoring close to the stream mouth, the extent of the suspended matter input from Hkaung Tung Hka Chaung River into Indawgyi Lake was estimated and heavy metal pollution concentrations of the suspended matter were measured as a basis for recommendations for the reduction of the pollution pressure on the lake.
Sedimentation analyses showed that the river water was still very turbid even after 50 hours due to high concentrations of very small solids. In contrast, material in the size of sand grains settled completely after about ten hours. The clay fraction of the suspended matter was heavily contaminated by different heavy metals, including cadmium, copper, nickel, chromium and lead.
The load of suspended matter was subject to strong fluctuations and showed no correlation with the discharge. The mean concentration of suspended matter was 9.6 g/L (as dry weight per volume of water). The daily dry matter load in Hkaung Tung Hka Chaung River varied between 2.3 and 2,900 t. The mean load was 359 t/d, with by far the largest amount being transported by the river during the rainy season during times of high discharge. That indicates that, in addition to direct inputs from mining activity, there was also suspended matter input from soil erosion and from the remobilization of river sediments. The estimates of the annual input into Indawgyi Lake came to an amount of about 133,000 t. This corresponds to a volume of the fresh matter between 0.26 and 0.4 million m³.
The results show the urgent need for a control of the artisanal small-scale gold mining activities and for the building of sedimentation basins at Hkaung Tung Hka Chaung River to protect Indawgyi Lake with its highly valuable ecosystem.
Vor dem Hintergrund der zunehmenden Anzahl an Tagebauseen sowie den Folgen der anthropogen veränderten Klimaentwicklung und infolgedessen der Möglichkeit des Entstehens oder/und des Zusammenbrechens von Meromixis in Seen besteht die Notwendigkeit, Kenntnisse über die Dichteschichtung verursachenden chemischen Prozesse sowie die in der Wassersäule auftretenden Dichtegradienten und die Dichtebeiträge gelöster Stoffe zu gewinnen.
Aus diesem Grund wurden zwei meromiktische, in der Lausitz gelegene Seen (Waldsee, Moritzteich) untersucht. Ziel war es, neben den Ursachen der Dichteschichtung die (bio)geochemischen Prozesse in der Wassersäule sowie an der Sediment-Wasser-Grenze zu untersuchen sowie Dichtegradienten und die Dichtebeiträge gelöster Stoffe im Gewässer zu quantifizieren.
Hierzu wurden die Seewasser-, Sediment-, Sinkstoff- und Porenwasserbeschaffenheit chemisch analysiert sowie tiefenorientierte Messungen der Vor-Ort-Parameter in der Wassersäule durchgeführt. Die Daten waren Basis geochemischer Berechnungen, der Bestimmung dichterelevanter chemischer Prozesse und Parameter sowie der Berechnung der Dichtegradienten in der Wassersäule und der Dichtebeiträge gelöster Stoffe.
Die Ergebnisse zeigten, dass in den untersuchten Braunkohletagebauseen die Meromixis auf der biogeochemischen Umsetzung des Eisens mit der Bildung eisenhydroxidischer und
-hydroxosulfatischer Minerale im Mixolimnion und deren Auflösung sowie der Reduktion des Eisens(III) zu Eisen(II) im Monimolimnion beruht. Dabei war die Beschaffenheit der im Mixolimnion gebildeten Eisenverbindungen pH-abhängig. Bei pH-Werten ≤3 wurden Eisenhydroxosulfate (vermutlich Schwertmannit) und bei pH-Werten von 6 bis 7 Ferrihydrit ausgefällt.
Die in den Monimolimnionsedimenten ablaufende Sulfatreduktion führte zu einem in das Sediment gerichteten Sulfat- und Eisenfluss, wobei bei einem möglichen Eisenüberschuss dieses auch ins Wasser freigesetzt und somit zu einer Erhöhung der Dichte im Monimolimnion beitragen konnte. Die im Mixolimnionsediment ablaufenden chemischen Prozesse waren vor allem vom vorliegenden geochemischen Milieu abhängig. Dabei können in Organikreichen Sedimenten sulfatreduzierende Prozesse stattfinden, wohingegen in den sauren, geringer organischen Sedimenten möglicherweise eine diagenetische Umwandlung metastabilen Schwertmannits zu stabileren Goethit vorliegt.
Der chemische Dichtegradient beruhte im Wesentlichen auf Eisen(II) und dem Karbonatsystem (HCO3-+CO2), zu geringeren Anteilen auf DOC und Calcium sowie, ausschließlich im Moritzteich, auf Sulfat. Insgesamt war der in beiden Seen durch die chemischen Stoffe verursachte Dichtegradient zwischen Mixo- und Monimolimnion mit maximal rd. 1,0 g/l gering. Saisonale Veränderungen des chemischen Dichtegradienten in beiden Seen waren marginal. Somit basierten Schwankungen des Gesamtdichtegradienten in der Wassersäule vor allem auf den Änderungen der Temperatur und weniger auf den Änderungen der Konzentrationen gelöster Stoffe.
In-stream microbial carbon transformation under opposing stresses - drought and sediment transport
(2018)
The mineralization of organic matter (OM) is an important ecosystem service that has come under pressure because of increased frequency of droughts and higher sediment loads in running waters. In particular, lowland streams in temperate regions may experience reinforced sediment transport through migratory ripples and changes of naturally sorted sand and gravel in streambeds towards sand-dominated, homogenized streambed structure. The impact on microbial carbon (C)-transformation from these changes was the main focus of my doctoral thesis, in particular the impact of (i) periodic mechanical disturbance associated with ripple migration (ii) streambed structure homogenization, and (iii) drought in streambeds with sorted or homogenized sediment structure.
In a set of microcosms, the significance of periodic mechanical disturbances for microbial C-transformation was tested. Thereby, the quantity and quality of the OM in the sandy sediments were varied by the addition of leaves and fish feces to the OM-poor sands. The results revealed that periodic mechanical disturbances resulted in significant decrease in microbial respiration to a low and similar level regardless of OM quality contained in sand.
The importance of the streambed structure (sorted vs homogenized) for C-transformation was tested using set of experimental streams. The focus was on the interaction between benthic and hyporheic microbial processes in C-transformation to better understand the consequences of streambed homogenization on microbial function. The results showed that sediment structure determines connectivity between the benthic and hyporheic zones. The lower water exchange in homogenized streambeds and thereby reduced supply of freshly produced bioavailable OM from the benthic to the hyporheic zone, curtailed microbial respiration in the latter affecting the water quality.
The influence of a drought and rewetting was tested on C-transformation in streambeds with a sorted or homogenized sediment structure using experimental streams where one half of the streams were strongly shaded and the other half moderately shaded. The results showed that streambeds affected by droughts, either with sorted or homogenized sediment structure have a similar microbial activity at the first place controlled by shading, whereas microbial composition during drought and its recovery after rewetting was additionally affected by sediment structure.
Overall, this doctoral thesis showed that in sediment transport– and drought-impacted streambeds (i) ripple migration results in decreased C-transformation regardless of the available quality of OM, (ii) homogenization of sorted sediment structure leads to a decrease in microbial C-transformation in the hyporheic zone, and (iii) interaction between sediment structure and shading alters microbial community composition especially critical for resistance and resilience of C-transformation during drought and rewetting.
Vor dem Hintergrund der EG WRRL besteht ein großer Bedarf an effektiven Maßnahmen zur Gewässerentwicklung. Das Belassen und der Einbau von Holz haben hierfür durch die Aktivierung fließgewässertypischer Prozesse ein großes Potenzial. Ziel war es daher, Handlungsempfehlungen für das Belassen und den naturnahen Einsatz von Holz in Tieflandbächen zu entwickeln. Diese basieren auf Grundlage des aktuellen Wissensstandes und eigenen Untersuchungen zu offenen Fragen. In den eigenen Untersuchungen wurden Holz- bzw. Maßnahmenstrecken mit unveränderten bzw. holzfreien Kontrollstrecken in Tieflandbächen und –flüssen verglichen, hauptsächlich hinsichtlich ökologischer Zustandsbewertung des Makrozoobenthos und der Fische, der Gewässerstruktur und der Holzmengen bzw. der Holzdynamik. Die eigenen Untersuchungen zeigten:
1. Die Wirkungszusammenhänge zwischen Holz und Organismen des Makrozoobenthos waren auch in der Zustandsbewertung nach EG WRRL feststellbar. Holz führte unabhängig von Gewässertyp und –größe zur Verbesserung der Strukturgüte und des ökologischen Zustands beim Makrozoobenthos. Die Zustandsbewertung wurde in 45 % der untersuchten Strecken (N = 31) soweit verbessert, dass der „gute“ und sogar „sehr gute“ ökologische Zustand erreicht wurde.
2. Eingebaute Strömungslenker aus Holz können den natürlichen Eintrag nicht vollständig ersetzen. Strömungslenker erzielten nur teilweise Verbesserungen der Gewässerstruktur und des ökologischen Zustands. In den 7 untersuchten Strecken wurde die Tiefenvariabilität im Längsprofil durch die Bildung von Kolken gesteigert. Sinuosität, Querprofil, Sohlsubstrat und der ökologische Zustand des Makrozoobenthos und der Fische wurden aber nur kaum beeinflusst.
3. Der Einbau von Holz beeinflusst die Dynamik und Retention von Driftholz und führt zu einer Steigerung der Holzmenge in einer Gewässerstrecke. In einer 400 m langen Strecke eines Tieflandflusses mit Strömungslenkern aus Holz und natürlichem Holzeintrag wurde die eingebaute Holzmenge durch die zusätzliche Retention von Driftholz nach vier Jahren bereits um 60 % im Volumen und um 240 % in der Holzoberfläche erhöht. Der kontinuierliche Austrag von Holz aus der Strecke wurde durch neuen Eintrag und die Retention in der Strecke kompensiert.
In den Handlungsempfehlungen für die Praxis wurde herausgearbeitet, dass die Förderung des natürlichen Holzeintrags prinzipiell Priorität gegenüber dem Einbau von Holz hat. Für drei Restriktionsgrade von gering bis hoch wurden Empfehlungen für einen möglichst naturnahen Holzeinsatz entwickelt, der zudem natürlichen Holzeintrag berücksichtigt. Grundlage der Empfehlungen sind Angaben zum Holzvolumen, dem Deckungsgrad, der Anzahl an Stämmen sowie dem Verbauungsgrad von Holzeinbauten und deren Lage zur Fließrichtung. Ergänzt werden die Angaben durch die Kategorisierung von 6 Grundtypen natürlicher Holzstrukturen.
NITROLIMIT hat gezeigt, dass nicht nur Phosphor (P), sondern auch Stickstoff (N) eine relevante Steuergröße des Phytoplanktons und damit des ökologischen Zustandes von Gewässern darstellt. Eine Minderung der N-konzentration lässt insbesondere für viele Flachseen und Flussseen eine Verbesserung des ökologischen Zustandes erwarten. Bedenken, wonach Maßnahmen zur Minderung der N-konzentrationen in Gewässern nicht zielführend sind, weil sie durch N2-Fixierung von Cyanobakterien ausgeglichen werden oder weil sinkende Nitratkonzentrationen die Freisetzung von P aus den Gewässersedimenten steigern, konnten für die Untersuchungsgewässer in NITROLIMIT weitgehend ausgeräumt werden.
N2-fixierende Cyanobakterien (Nostocales) gelangen nicht oder nur selten zur Dominanz und ihr Beitrag zum jährlichen Eintrag von Stickstoff ist gering. Langfristig führt eine Senkung der N-Fracht jedoch zu einer Abnahme ihres Biovolumens. Nitrat beeinflusst die Bindung bzw. Freisetzung von P aus dem Sediment meist nur in geringem Maße. Hier spielen andere Prozesse (redoxunabhängige P‐Bindungsmechanismen), an denen Nitrat nicht beteiligt ist, eine größere Rolle. Auf den ökologischen Zustand von Fließgewässern wie der Elbe hätte eine N-Reduktion zunächst keinen Einfluss, da andere Faktoren die Biomasse des Phytoplanktons begrenzen. Eine Verminderung der N-Einträge in Fließgewässer ist dennoch anzustreben, um den trophischen Zustand der Küstengewässer zu verbessern. NITROLIMIT konnte zeigen: Stickstoffreduktion ist ökologisch sinnvoll.
Da sich eine große Zahl von Seen in Deutschland nicht im guten ökologischen Zustand befindet, sind weitere Anstrengungen notwendig, um die Ziele der EU‐WRRL zu erreichen. Dabei sollten auch Maßnahmen zur Reduktion der N‐Einträge berücksichtigt werden. Hier schließt sich die Frage an, ob N‐Reduktion wirtschaftlich vertretbar ist. In drei Fallstudien wurden Möglichkeiten, Kosten, Nutzen und Akzeptanz von N-Reduktionsmaßnahmen analysiert. Am Beispiel der Berliner Unterhavel wurden Kosten für N‐Reduktionsmaßnahmen mit dem Nutzen in Form der Zahlungsbereitschaft von Bürgern für den guten ökologischen Zustand gegenübergestellt. Danach ist der Nutzen einer Verbesserung der Gewässergüte größer als die damit verbundenen Kosten. Auch der Wert der Gewässer für Freizeit und Erholung spricht für weitere Bemühungen. Für Gewässer in Berlin wurde belegt, dass urbane Maßnahmen zur Nährstoffreduktion Erfolge zeigen, aber häufig nicht zum Erreichen des guten ökologischen Zustandes ausreichen. Für ein ländliches Einzugsgebiet (Storkower Seenkette) wurde gezeigt, dass für die Verbesserung des ökologischen Zustandes vor allem N-Einträge aus landwirtschaftlichen Flächen reduziert werden müssen. Möglichkeiten hierzu bestehen durch eine Ausweitung der Umsetzung von Agrarumweltmaßnahmen. In Brandenburg und Berlin wurden jedoch entsprechende Fördermöglichkeiten bisher nicht ausgeschöpft. Hier gilt es daher, die Rahmenbedingungen und die Anreize zur Teilnahme zu verbessern.
Handbuch Phyto-See-Index - Verfahrensbeschreibung für die Bewertung von Seen mittels Phytoplankton
(2016)
Die vorliegende Verfahrensbeschreibung enthält alle Änderungen, die mit dem LAWA-Expertenkreis für Seen bis Dezember 2016 abgestimmt wurden und folgende Überarbeitungsbereiche betreffen:
1) Es erfolgte eine erhebliche Verfahrenserweiterung für Seen im Mittelgebirge sowie für künstliche und stark veränderte Seen (AWB und HMWB), worunter unter anderem die Talsperren und die Baggerseen fallen. Nach einem ersten Verfahrensentwurf (Hoehn et al. 2009) wurden die Bewertungsgrenzen sowie die Seetypologie nach den Ergebnissen eines Praxistestes der Bundesländer stark überarbeitet (Riedmüller & Hoehn 2011).
2a) Es wurden die Grenzwerte für die Kenngröße "Biomasse" an die Grenzwerte für die Trophiestufen des neuen Trophie-Index nach LAWA (2014) angepasst.
2b) Wie im Trophie-Index nach LAWA wurden alle Saisonmittel im PSI auf ein direktes Mittel aus den Termindaten umgestellt und nicht mehr wie bisher über den Umweg von Monatsmitteln. Dies betrifft auch den PTSI-Jahreswert.
3) Für die Tieflandseen wurden alle Bewertungsroutinen umfassend überarbeitet, die auf Kenngrößen der Algenklassen basieren. Dies erfolgte nach Überprüfung mit einem seit 2006 stark erweiterten Datensatz.
5) Für den Sondertyp der sauren Tagebauseen wurde ein Biodiversitäts-Index (Leßmann & Nixdorf 2009) als neue Kenngröße im Phyto-See-Index aufgenommen.
6) In dem neu entwickelten PhytoLoss-Verfahren werden automatisiert Indices für die Grazing-Effektstärke aus den gleichzeitig zum Phytoplankton ermittelten Zooplankton-Daten errechnet, wodurch eine erweiterte Interpretation des Phyto-See-Index und des Nahrungsnetzes erfolgt und Hinweise auf Handlungsoptionen für die Maßnahmenplanung gegeben werden.
7) Zur Qualitätssicherung des Untersuchungsverfahrens "Phytoplankton zur Bestimmung des Phyto-See-Index" wurde ein QS-Handbuch erarbeitet (Mischke 2015)
8) Die vormals zusammengefassten Seetypen 1, 2 und 3 der Alpen und Voralpen wurden als unabhängige Gewässertypen mit jeweils eigener Referenztrophie unterschieden (LAWA O 7.16). Es wurde eine Dokumentation erstellt, die die Gleichwertigkeit des überarbeiteten Phyto-See-Index zu den Ergebnissen der Europäischen Interkalibrierung darstellt (LAWA Projekt O 2.15; Riedmüller et al. 2016).
Die vorliegende Verfahrensbeschreibung enthält alle Änderungen, die mit dem LAWA-Expertenkreis für Seen bis Februar 2015 abgestimmt wurden und folgende Überarbeitungsbereiche betreffen:
1) Es erfolgte eine erhebliche Verfahrenserweiterung für Seen im Mittelgebirge sowie für künstliche und stark veränderte Seen (AWB und HMWB), worunter unter anderem die Talsperren und die Baggerseen fallen. Nach einem ersten Verfahrensentwurf (Hoehn et al. 2009) wurden die Bewertungsgrenzen sowie die Seetypologie nach den Ergebnissen eines Praxistestes der Bundesländer stark überarbeitet (Riedmüller & Hoehn 2011).
2 a) Es wurden die Grenzwerte für die Kenngröße „Biomasse“ an die Grenzwerte für die Trophiestufen des neuen Trophie-Index nach LAWA (2013; Riedmüller et al. 2013b) angepasst.
2 b) Wie im Trophie-Index nach LAWA wurden alle Saisonmittel im PSI auf ein direktes Mittel aus den Termindaten umgestellt, und nicht mehr wie bisher über den Umweg von Monatsmitteln. Dies betrifft auch den PTSI-Jahreswert.
3) Für die Tieflandseen wurden alle Bewertungsroutinen umfassend überarbeitet, die auf Kenngrößen der Algenklassen basieren. Dies erfolgte nach Überprüfung mit einem seit 2006 stark erweiterten Datensatz.
4) Für den Sondertyp der stark sauren Tagebauseen wurde ein Biodiversitäts-Index (Leßmann & Nixdorf 2009) als neue Kenngröße im Phyto-See-Index aufgenommen.
5) In dem neu entwickelten PhytoLoss-Verfahren werden automatisiert Indices für die Grazing-Effektstärke aus den gleichzeitig zum Phytoplankton ermittelten Zooplankton-Daten errechnet, wodurch eine erweiterte Interpretation des Phyto-See-Index und des Nahrungsnetzes erfolgt, und Hinweise auf Handlungsoptionen für die Maßnahmenplanung gegeben werden.
6) Zur Qualitätssicherung des Untersuchungsverfahrens „Phytoplankton zur Bestimmung des Phyto-See-Index“ wurde ein Handbuch erarbeitet (Kapitel 8).
In order to lower the phytoplankton biomass in lakes it is theoretically most effective to reduce the nutrient that is actually limiting. However, it is widely assumed that the abundance and N₂-fixation rate of N₂-fixing cyanobacteria (Nostocales) would increase in response to reduced N loading, and thereby render efforts to improve water quality by N reduction ineffective. Nostocales N₂-fixation has a huge energy demand and consequently the light intensity may affect the response of Nostocales biovolume and N₂-fixation to varying N additions. This led to the following aims, for which three different sets of experiments were conducted.
(i) Determination of the seasonal dynamic of N- and P-limitation for four lakes of differing lake types in the German lowlands and testing the power of four N:P ratios to predict the limiting nutrient: Biweekly experiments were performed in 4 lakes differing in lake. For the shallow lakes there was a trend from P limitation in spring to N or light limitation in summer and autumn, while the deep lake remained predominantly P limited. The ability of in-lake N:P ratios to predict the relative strength of N vs. P limitation was tested using linear regression. All four N:P ratios had significant positive relationships with the response ratio to N and P additions, but the TN:TP and DIN:TP ratios performed best. Nitrogen limitation was predictable, frequent and persistent, suggesting that nitrogen reduction could play a role in water quality management.
(ii) Determination of the response of Nostocales biovolume and N₂-fixation to varying N additions: To achieve this, an experiment with water from an N limited lake (LAN) was conducted. While the Nostocales biovolume did not respond to varying N additions, the N₂-fixation increased in low N microcosms. To quantify the extent to which Nostocales compensated for the varying N addition rate, we calculated a compensation rate (CR). By the end of the experiment a CR of 36 % was reached. However, at biovolumes typical for summer in LAN the CR would be much lower. Therefore, in shallow polymictic lakes like LAN, reduced N loading may lower both in-lake N concentrations and biovolumes of non-fixing phytoplankton without significantly impacting Nostocales biovolume.
(iii) Determination of the effect of the light intensity on the response of Nostocales biovolume and N₂-fixation to varying N additions: To accomplish this aim another microcosm experiment with water from LAN was conducted. While at low and intermediate light intensities the reduction of N addition had no effect on Nostocales biovolume, at high light intensities it led to an increase. The N₂-fixation increased at all light intensities when N addition got reduced. This positive response to a reduction in N addition increased with light, showing that Nostocales may take advantage of being able to fix N₂ mainly at high light intensities.
In NITROLIMT stand an erster Stelle die Frage: Ist N-Reduktion ökologisch sinnvoll?
Die Auswertung der Seendatenbank hat gezeigt, dass Stickstoff weit häufiger die Biomasse des Phytoplanktons begrenzt und damit die Gewässergüte bestimmt als bisher angenommen. In flachen durchmischten Seen und Flussseen tritt N-Limitation sogar häufiger auf als P-Limitation, wobei meist ein Übergang von P-Limitation im Frühjahr zu N-Limitation im Sommer stattfindet. Diese Befunde wurden durch Gewässermonitoring und Bioassays in vier Modellgewässern bestätigt. Demnach ist nicht nur P-, sondern auch N-Reduktion ökologisch sinnvoll. Daher wurden seentypspezifische Zielwerte für TN- und TP-Konzentrationen zur Erreichung eines guten ökologischen Zustandes ermittelt. „Ist-“ und „Sollzustand“ der so ermittelten TN- bzw. TP-Konzentrationen differieren stark. Der Zusammenhang zwischen TN und Biomasse des Phytoplanktons ist aufgrund der kleineren Datenmenge für TN, uneinheitlicher N-Analytik und unberücksichtigter gelöster organischer N-Verbindungen (DON) sehr variabel. Eine Validierung der TN-Zielwerte basierend auf einer verbesserten Datengrund-lage wird daher in NITROLIMIT II angestrebt.
Zudem galt es zu beantworten: Ist Stickstoffreduktion wirtschaftlich vertretbar?
Ein Maßnahmenkatalog zur Nährstoffreduktion (N und P) für die Bereiche Landwirtschaft und urbane Quellen wurde erstellt. Darin sind Informationen zu Wirkungen und Kosten der einzelnen Maßnahmen zusammengestellt. Zudem wurden in einer Ökobilanz nichtmonetäre ökologische Auswirkungen verschiedener Varianten einer N-Elimination auf Großklärwerken an einem Modellklärwerk untersucht. Hier zeigten sich signifikante Unterschiede in Wirksamkeit und Energieeffizienz zwischen den verschiedenen Maßnahmen, die bei der weiteren Maßnahmenplanung für Großklärwerke berücksichtigt werden sollten. Für die ökobilanzielle Bewertung von Maßnahmen im urbanen Bereich fehlt noch die Untersuchung von Maßnahmen der Regenwasserbewirtschaftung.
Vorläufiges Fazit
Die bisherigen Ergebnisse zeigen, dass Stickstoffreduktion überwiegend ökologisch sinnvoll und für einige der analysierten Szenarien wirtschaftlich vertretbar ist. Daher wird empfohlen, zur Verbesserung der Gewässergüte nicht nur den Eintrag von Phosphor, sondern auch den von Stickstoff zu reduzieren.
Entsprechende regionale Konzepte zur Nährstoffreduktion sollten für kleine Modelleinzugsgebiete erstellt und umgesetzt werden. Durch wissenschaftliche Begleituntersuchungen sollten dabei der Erfolg von einzelnen Maßnahmen und Maßnahmenkombinationen geprüft und Schlüsselprozesse des N- und P-Umsatzes (N2-Fixierung, Denitrifikation und P-Freisetzung) weiter aufgeklärt werden.
Nostocales form thick-walled, resting cells (akinetes) for overwintering in lake sediments of Central Europe. The pelagic Nostocales population recruits after the germination of akinetes, which mainly takes place in the spring with increasing temperatures and light intensities. The study aimed to i) characterize the sediment surfaces inhabited by viable akinetes that potentially contribute to the formation of a pelagic population, and ii) estimate the inoculum size of the available sedimentary akinete pool. We investigated the horizontal distribution of akinetes in sediments and the seasonal course of light and temperature in two deep dimictic lakes (Lake Stechlinsee, max. depth 69 m and Lake Scharmützelsee, max. depth 29.5 m; NE Germany). The akinete pool was calculated and the potential inoculum was estimated using assumed light and temperature data for akinete germination. The akinete abundance in sediments depended on the basin morphometry and increased with water depth. Only a small proportion of the viable akinete pool in shallow water areas contributed as inoculum to pelagic population. The potential inoculum size in Lake Scharmützelsee was larger than in Lake Stechlinsee.
Flooding of dry sediments is known to trigger pulses of microbial respiration at land-water-interfaces. The regulation of discharge variability is therefore proposed to affect the respiration balance of these sites. In this study, I assessed the impact of discharge regulation on microbial respiration associated to surface sediments at a land-water-interface of the river Spree. I developed a theoretical model, based on empirical respiration data, to estimate the two-month total respiration at the study site for three discharge scenarios. The real scenario represented the actual discharge at the study site, which was regulated by the Spremberg reservoir dam. In the unregulated scenario, the regulating effect by the dam was excluded. In the extremely regulated scenario, a hypothetical constant discharge was modeled. For each scenario, the daily discharge, the corresponding flooded areas, the extent of dry or rewetted areas, and the durations of flooding or rewetting by rain at the study site were determined. Microbial respiration rates associated to surface sediments were measured with a respirometer under flooded, dry, and rewetted conditions. The model applied these rates to the respective flooded, dry or rewetted areas of the study site, to calculate the daily areal respiration. In all sediments from the land-water-interface, a distinctive respiration pulse was measured on the first day of flooding, and higher respiration rates under flooded than under dry conditions. The discharge of the unregulated scenario was characterized by a higher variability and larger flow volume than the regulated real scenario. Due to the higher total discharge, larger areas were flooded in the unregulated scenario, the total respiration from sediments under long-term flooded conditions was therefore higher. Moreover, the daily extent of flooded areas fluctuated more strongly, hence more short-term respiration pulses upon flooding were triggered than in the real regulated scenario. The calculated total two-month respiration of the unregulated scenario exceeded that of the regulated real scenario by almost 14 %. These results suggest that discharge regulation can have a considerable negative impact on sediment-associated microbial respiration at land-water-interfaces.
Diese Arbeit ist eingebettet in das BMBF-geförderte Projekt NITROLIMIT II, in dem unter anderem ein Nährstoffreduktionskonzept für die Storkower Seenkette entwickelt werden soll. Ziel dieser Bachelorarbeit war es, Nährstofffrachten für Teileinzugsgebiete in der Storkower Seenkette zu ermitteln, welche als Grundlage zur Planung und Verortung von Sanierungsmaßnahmen im Einzugsgebiet dienen sollen. Die berechneten Nährstofffrachten sollten anschließend mit den Ergebnissen einer Messkampagne des Landesamtes für Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz Brandenburg aus dem Jahr 2011/12 verglichen werden sowie mögliche Sanierungsmaßnahmen diskutiert werden.
Zur Bestimmung der Nährstofffrachten wurden die Gesamtphosphor- (TP) und Gesamtstickstoff-Konzentrationen (TN) aus Wasserproben von sieben Messstellen des Untersuchungsgebietes analysiert, die von Februar bis Dezember 2015 gesammelt wurden. Die TP-Analysen wurden vom Kandidaten mittels Natrium-Peroxodisulfat-Aufschluss und anschließender photometrischer Messung nach DIN EN ISO 6878 (DIN, 2004) durchgeführt. Die TN-Analyse erfolgte mittels Fließinjektionsanalyse nach DIN EN ISO 13395 (DIN, 1996). Als Basis für die Frachtberechnungen wurden die Daten der Durchflussmessungen aus zwei Studienprojekten verwendet. Für die drei Klärwerke, die Klarwasser im Untersuchungsgebiet in die Vorfluter einleiten, wurden die Ablauffrachten berechnet.
Es zeigte sich, dass besonders die Fließstrecken unterhalb der drei Kläranlagen (Rieploser Fließ (KA Storkow; 22202 EGW) und Kuppengraben I (KA Friedersdorf; 1650 EGW und KA Wolzig; 467 EGW)) stark von Nährstoffen belastet sind und direkten Einfluss auf die Biomasseproduktion der unterhalb liegenden Gewässer nehmen. Vor allem für den davon betroffenen Stahnsdorfer See wird Handlungsbedarf gesehen, um eine Verbesserung gegenüber dem gegenwärtigen, polytrophen Zustand zu erreichen.
Der Vergleich der 2015 ermittelten Daten mit den Ergebnissen der Messkampagne des LUGV aus den Jahren 2011/12 hat gezeigt, dass die im Einzugsgebiet transportierten Nährstoffmengen relativ konstant sind. Trotz der verschiedenen Niederschlags- und somit auch Durchflussmengen in den unterschiedlichen Jahren konnten Nährstofffrachten in sehr ähnlicher Größenordnung berechnet werden.
Vor dem Hintergrund der ermittelten Nährstofffrachten wurden die geplanten Sanierungsmaßnahmen im Bereich des Rieploser Fließes betrachtet. Besonderes Augenmerk lag dabei auf der geplanten Umleitung des Rieploser Fließes. Eine mögliche Variante sieht vor, das Fließ vor seiner Mündung in den Stahnsdorfer See durch ein Wehrbauwerk abzutrennen und das Wasser in ein künstliches Feuchtgebiet südlich des Sees zu leiten. Der dort befindliche ehemalige Torfstich könnte zu einem Schilfpolder umgestaltet werden und so als Retentionsfläche dienen. Diese Maßnahme könnte eine Nährstoffentlastung um ca. 30% für den Stahnsdorfer See bringen. Außerdem wurde durch diese Arbeit nachgewiesen, dass der Kuppengraben I im Vergleich zu anderen Messstellen bis zu 10fach höhere TP-Jahresmittel bzw. 4fach höhere TN-Jahresmittelwerte aufweist. Daher sollten auch für diesen Klärwerksableiter oder an den einleitenden Klärwerken Sanierungsmaßnahmen durchgeführt werden.
Das Positionspapier stellt die wichtigsten Ergebnisse des NITROLIMIT Projekts für Fachkollegen aus Wissenschaft und Praxis sowie für alle, die sich für Gewässerökologie interessieren, kompakt zusammen. Aufgrund der Kürze können nicht alle Teilergebnisse, methodischen Details oder ein kompletter Literaturüberblick gegeben werden. Eine ausführliche Darstellung aller Teilstudien ist jedoch in den Abschlussberichten von NITROLIMIT I und NITROLIMIT II zu finden. Zudem wurden ausgewählte Ergebnisse in Form von Diskussionspapieren und wissenschaftlichen Publikationen bereits veröffentlicht. Eine komplette Publikationsliste ist ab Seite 44 zu finden.
Die Verantwortung für den Inhalt der einzelnen Kapitel des Positionspapiers liegt bei den Autoren.
Zur Beantwortung der Frage, ob Stickstoffreduktion in solchen Gewässern wirtschaftlich vertretbar ist, wurde am Beispiel eines für die Norddeutsche Tiefebene charakteristischen Flusssees, der Berliner Unterhavel, untersucht, mit welchen Kosten und Nutzen das Erreichen des guten ökologischen Zustandes verbunden ist.
Hierfür wurde zunächst der Status quo der Stickstoff- und Phosphoreinträge aus dem Einzugsgebiet (EZG) sowie deren Konzentration in der Berliner Unterhavel ermittelt. Darauf basierend wurde berechnet, in welchem Umfang die Einträge reduziert werden müssen, um die gewässerinterne Konzentration auf einen Wert zu senken, ab dem erwartet wird, dass sich der gute ökologische Zustand einstellt. Zielwerte für Stickstoff- und Phosphorkonzentrationen in unterschiedlichen Gewässertypen wurden in einer vorangegangenen Studie ermittelt (modifiziert nach: NITROLIMIT-Diskussionspapier Band 1, 2013; Dolman et al. 2016). Im nächsten Schritt wurden für das Einzugsgebiet der Berliner Unterhavel kosteneffiziente Stickstoffreduktionsmaßnahmen im urbanen und landwirtschaftlichen Bereich identifiziert. Schließlich wurde für verschiedene Kombinationen ausgewählter Maßnahmen ermittelt, wie hoch die Stickstoffreduktionsleistung und die entsprechenden Kosten wären, wenn sie im Einzugsgebiet der Berliner Unterhavel umgesetzt würden.
Der ökonomische Nutzen wurde anhand der Zahlungsbereitschaft der Berliner und Brandenburger Bevölkerung für das Erreichen des guten ökologischen Zustandes der Berliner Unterhavel ermittelt. Die Zahlungsbereitschaft wurde in einer Umfrage erhoben, bei der auch erfasst wurde, wie häufig Gewässer zur Erholung aufgesucht und welche Aktivitäten dort am liebsten ausgeübt werden. Abschließend wurden die Kosten für Maßnahmen zur Stickstoffreduktion dem Nutzen gegenübergestellt.
In diesem Diskussionspapier werden die wesentlichen Ergebnisse der Studien dargestellt. Eine ausführliche Darstellung aller Ergebnisse und methodischen Details sind im Abschlussbericht von NITROLIMIT I (2014) zu finden (S. 127-186).
Die Konzentration von Gesamt-DON betrug in den vier Modellseen im Jahresdurchschnitt 0.54 mg L-1 und übertraf damit die mittleren Konzentrationen von DIN (0.11-0.35 mg L-1) in allen Modellseen außer der Unterhavel. Huminstoffe und hochmolekulare Substanzen machen mit 80 - 93% den größten Anteil von DON aus, gefolgt von Harnstoff mit 6 - 16%. Die Konzentrationen von Aminosäuren sind so gering, dass ihnen im Folgenden keine weitere Bedeutung zugemessen wird.
Die DON-Verbindungen sind innerhalb der einzelnen Gewässer über alle vier Jahreszeiten nahezu konstant. Dagegen zeigen die DIN-Verbindungen, besonders Nitrat, ein saisonales Muster. Sie erreichen im Winter ihre höchsten Konzentrationen und liegen im Sommer im Bereich der Nachweisgrenze. Daher ist der relative Anteil von DON-Verbindungen an der TN-Konzentration im Sommer deutlich höher. Von den DIN-Verbindungen Nitrat und Ammonium weiß man, dass sie von Algen für ihr Wachstum gut genutzt werden können. Sie werden beim Aufbau der Algenbiomasse bis zum Sommer nahezu aufgebraucht, weshalb sie im Sommer häufig nicht mehr nachweisbar sind. Daher tritt nach unseren bisherigen Untersuchungen besonders im Sommer in vielen Gewässern eine Begrenzung der Algen-biomasse durch Stickstoff auf (NITROLIMIT Diskussionspapier, Band 1). Allerdings könnten die Algen von den weiterhin reichlich vorhandenen DON-Verbindungen profitieren, wenn sie diese nutzen können. Unsere Studie zeigte, dass die verschiedenen DON-Verbindungen in unterschiedlichen Konzentrationen vorliegen und unterschiedlich durch Algen nutzbar sind. Mit zunehmender Komplexität der DON-Verbindungen nimmt die Nutzbarkeit durch Algen ab. Als am besten nutzbar erwies sich Harnstoff. Dessen relativ konstante Konzentration im Jahresverlauf trotz seiner guten Nutzbarkeit ist überraschend und am ehesten durch rasche Nachlieferung, etwa durch bakteriellen Abbau höhermolekularer N-Verbindungen, erklärbar.
Die Nutzbarkeit von Huminstoffen hängt laut unseren ersten Untersuchungen auch von deren Ursprung und Alter ab. Während die frisch aus der Kläranlage Waßmannsdorf kommenden Huminstoffe von Algen für ihr Wachstum genutzt wurden, waren die schon länger in den untersuchten drei Seen befindlichen Huminstoffe kaum noch nutzbar.
Der hohe Anteil von Huminstoffen und hochmolekularen Substanzen am TN könnte eine Ursache für die große Variabilität der TN-Zielwerte zum Erreichen des guten ökologischen Zustandes sein (NITROLIMIT Diskussionspapier, Band 1). Diese Substanzen können überwiegend nicht gut von Algen zum Aufbau von Biomasse genutzt werden und führen daher bei der Analyse des Zusammenhangs zwischen Biomasse und TN zu einer erhöhten Streuung (der TN-Zielwert wird hierbei über eine Regressionsanalyse zwischen Biomasse und der TN-Konzentration abgeleitet). Theoretisch sollten die Konzentrationen aller DON-Verbindungen, die nicht durch Algen nutzbar sind, von der TN-Konzentration subtrahiert werden. Die so kalkulierten Konzentrationen von durch Algen nutzbarem Stickstoff sollten einen besseren statistischen Zusammenhang mit der Algenbiomasse aufweisen als TN. Damit könnte die Streuung der Stickstoff-Zielwerte vermindert werden. Allerdings werden derartige Auswertungen erst möglich, wenn die Datenbasis zu algenverfügbaren DON-Verbindungen auf ähnlichem Niveau ist wie die zu DIN und TN. Zu letzteren liegen Daten für hunderte von Seen über mehrere Jahre vor, während Daten zu DON hier erstmals für vier Gewässer erhoben wurden.
Eutrophierung von Oberflächengewässern durch anthropogene Einträge von Stickstoff und Phosphor ist ein globales Problem. Die Einträge stammen aus der Landwirtschaft (v. a. diffuse Einträge) und aus urbanen Gebieten (Punktquellen und diffuse Einträge). In Deutschland wurden in den letzten drei Jahrzehnten die Einträge von Stickstoff in Fließgewässer um ca. 45% und von Phosphor um ca. 71% vermindert [1], wozu insbesondere Modernisierungen in Kläranlagen beigetragen haben. Dennoch beträgt der derzeitige Anteil der urbanen Quellen 21% der Stickstoff- und 45% der Phosphoreinträge [1]. Daher besteht im urbanen Bereich noch immer Handlungsbedarf für weitere Maßnahmen zur Nährstoffreduktion, um den von der EU-WRRL geforderten „guten“ ökologischen Zustand der Gewässer zu erreichen.
Konkret stammen in urbanen Bereichen die Einträge aus geklärten Abwässern aus Klärwerken, Regenwasserabflüssen und Überläufen aus Mischwasserkanalisation. In Mischwasserkanälen wird häusliches Abwasser und Regenwasser zusammen zum Klärwerk geleitet. Tritt ein Starkregenereignis auf, kann überschüssiges Mischwasser ungeklärt in ein Gewässer gelangen und dieses kurzfristig mit hohen Schmutz- und Nährstofffrachten belasten. Regenwasser, das im separaten Kanalnetz (Trennkanalisation) gesammelt wird, wird meist direkt einem Oberflächengewässer zugeführt. Es enthält Nährstoffe aus der Atmosphäre und insbesondere aus der Abwaschung von Dächern und Straßen (z.B. aus Blättern und Pollen). Bei der Trennkanalisation behandeln Klärwerke nur das im Schmutzwasserkanalnetz gesammelte Abwasser (in der Regel ohne Regenwasseranteil).
Ein Katalog zu Maßnahmen zur Reduktion von Nährstoffeinträgen aus urbanen Bereichen, deren Effizienz und Kosten sowie eine Bewertung der aus den Maßnahmen resultieren-den Umweltauswirkungen existieren bislang nicht. Insbesondere im Fall von Großkläranlagen, welche bereits ca. 80% der Stickstoff- und ca. 97% der Phosphorfrachten aus dem Abwasser entfernen, gilt es zu berücksichtigen, dass Verfahren zu einer weitergehenden Reduktion teilweise erhebliche Aufwendungen an zusätzlicher Energie, Chemikalien und Infrastruktur benötigen.
In NITROLIMIT wurde die bisher größte Datenbank zu Gewässergüteparametern aus 373 natürlichen Seen der norddeutschen Tiefebene zusammengestellt.
Die Auswertung dieser Daten zeigte:
• Der größte Teil der Seen befindet sich in einem mäßigen bis schlechten ökologischen Zustand.
• Sowohl Stickstoff als auch Phosphor sind eng mit der Phytoplanktonbiomasse korreliert. Als Prädiktor für N- bzw. P-Limitation wurde ein DIN:TP-Massenverhältnis von 1,6 ermittelt.
• N-Limitation tritt fast genauso häufig auf wie P-Limitation, wobei seentypspezifische und saisonale Limitationsmuster auftreten: N-Limitation tritt häufiger in flachen durchmischten Seen und Flussseen auf, und P-Limitation häufiger in tiefen geschichteten Seen. Im Verlauf der Vegetationsperiode findet häufig ein Wechsel von P-zu N-Limitation statt und zudem nimmt die Häufigkeit von anderen Limitationszuständen (beispielsweise Licht und Temperatur) zu.
• Die ermittelten TN- und TP-Zielwerte zum Erreichen der oberen Grenze der ökologischen Zustandsklasse „gut“ reichen für die verschiedenen Seentypen von 480-800 μg L-1 TN und 22-66 μg L-1 TP.
• Die derzeitigen TN- und TP-Konzentrationen in den Seentypen überschreiten die oben genannten Zielwerte in den meisten Fällen deutlich. Dies trifft insbesondere auf die TN-Konzentrationen zu. Der große Anteil von Seen mit einem mäßigen bis schlechtem ökologischem Zustand zeigt, dass zur Umsetzung der WRRL weitere Anstrengungen unternommen werden müssen.
Dabei bekräftigen unsere Ergebnisse, nach denen P-Limitation etwas häufiger als N-Limitation auftritt, die derzeitige Strategie, durch Maßnahmen zur Reduktion der Phosphoreinträge eine Verbesserung des ökologischen Zustandes herbeizuführen. Unserer Ansicht nach sollte diese Strategie fortgeführt werden, wobei auch strengere Reduktionsziele für Phosphoreinträge zu erwägen sind.
The ability to fix molecular nitrogen is considered to be a competitive advantage of Nostocales to overcome periods of nitrogen shortage but it is unclear to what extend these cyanobacteria import nitrogen into freshwaters and if they are able to compensate the efforts of reducing anthropogenic nitrogen input.
We studied nitrogen fixation, cyanobacterial biovolume and species composition and abiotic parameters in two polymictic lakes (Germany) over three years. Although Nostocales were present from April to November N2-fixation was found only from June/July to September. In the summer months, it amounted up to 40 mgN m-²d-¹ or up to 500 mgN m-²d-¹ resulting in rather low annual N-inputs between 0.1 and 8 gN m-²a-¹. We found a high variation in N2-fixation rates between the two lakes and the years, which could neither be explained by total Nostocales biovolume nor heterocyte numbers. N2-fixation rates measured in the field will be analyzed on Nostocales species level, be compared to those of laboratory cultures and be discussed in the context of possible phosphorus or light limitation of Nostocales.
Many lake water bodies not attained the goal of the European Water Framework Directive (WFD) to achieve a good ecological state by 2015. This is, among other things, because the assessment and improvement of hydromorphological conditions of lakeshores has been neglected as an important component ensuring the ecological integrity of lake ecosystems. In recent years, macroinvertebrates were emphasized to be useful indicators for the assessment of lakeshore hydromorphology. Hence, in Europe macroinvertebrate-based assessment methods were developed to evaluate the hydromorphological conditions of lakeshores.
In this thesis, some of the uncertainties and missing aspects of existing macroinvertebrate-based assessment methods were addressed. The results were obtained by sampling macroinvertebrates and macrophytes at natural shores and at shores modified by marinas and beaches in three depth zones between April and November 2011 in a large lowland lake (Lake Scharmützelsee, Germany).
Firstly, I clarified that upper littoral macroinvertebrates should be used for assessing the hydromorphology of lakeshores. It was shown that the effect of lakeshore modification on macroinvertebrate diversity and community composition was most pronounced in the upper littoral and decreased to the profundal zone. Secondly, I demonstrated that a single seasonal sampling is sufficient to capture the compositional differences of macroinvertebrate communities associated with human lakeshore modification. Seasonal effects on upper littoral macroinvertebrate diversity and composition were less important than shore type in comparison with the middle littoral and profundal zone. Thirdly, upper littoral macrophyte communities were also affected by lakeshore modification and at the same time the most important variable structuring macroinvertebrate communities. Hence, the effects of different shore types on macrophytes were transferred to macroinvertebrates, but artificial substrates were also able to partly substitute macrophyte habitats as it was shown for the studied marinas. Since lakeshore modification affected macrophytes slightly differently than macroinvertebrates, macrophytes should be considered as an additional component in lakeshore assessment. Finally, secondary production as proxy to determine the effect of lakeshore modification on the functioning of macroinvertebrates was estimated. Estimation of secondary production requires the determination of biomass. Biomass was indirectly determined by using length-mass regressions established for macroinvertebrates from temperate lakes of the central European lowland. The result showed that total secondary production and secondary production of native taxa in the upper littoral was substantially lower at the studied beaches compared to natural sites. In contrast, upper littoral secondary production at marinas did not differ to natural sites, but secondary production of non-native taxa was significantly higher at marinas. No effects of lakeshore modification on secondary production were found with increasing depth. Different scenarios based on upscaling of site-specific production to whole lake ecosystem level gave evidence that the observed local impacts of lakeshore modification can translate into alterations of the functioning of macroinvertebrates at whole lake ecosystem level. In addition, it was emphasized that secondary production as a functional measure is more sensitive in detecting hydromorphological alterations than the structural measures diversity or biomass. Secondary production should therefore be included in existing lakeshore assessment methods. In order to obtain a comprehensive overview about the changes in the functioning of macroinvertebrates following lakeshore modification, it is recommended to consider not only total secondary production but also secondary production of functional groups. With these results, this thesis contributes to the mechanistic understanding of the effect of lakeshore modification on the functioning of macroinvertebrates and the consequences for the functioning of the whole lake ecosystem. The newly generated knowledge helps to optimize the development of successful lakeshore assessment tools and identification of management measures.
The main goal of this dissertation was to explore the interactions between the hydrogeomorphology of the streambed in sandy lowland low-order streams and the microbial community inhabiting it. In particular, (i) the influence of the vertical water exchange across the streambed and (ii) of the sediment transport on the function and structure of the streambed microbial community, (iii) and the potential of the microbial community to influence these physical factors were explored. The influences were studied with a model system approach (micro- and mesocosms).
Firstly, I examined the significance of vertical water exchange across the streambed for the microbial community. I determined the differences in the microbial community structure and function associated with sediments of differing grain sizes. The grain sizes differed in surface-to-volume ratio and hydraulic conductivity. The results revealed vertical water exchange as the major factor for the structure and function of the microbial community.
Secondly, I studied the ability of the microbial community to influence the vertical water exchange across two sandy streambeds: leveled and rippled. My results showed that the microbial community can reduce and even block the vertical water exchange by reducing pore space with gas bubbles formed due to high primary production.
Thirdly, I determined the effect of short-term sediment transport events on the function of the microbial community and on the influence of the microbial community on vertical water exchange. The results show that the mechanical stress associated with short-term sediment transport events does not influence the microbial community function. However, a single short-term sediment transport event increased vertical water exchange by (i) releasing the gas bubbles produced by the microbial community and (ii) creating irregularities in the flume bed.
Lastly, I ascertained the potential of benthic algal mats to transport sediment by means of buoyancy-mediated detachment from the bed. The results revealed the detachment of algal mats as a novel mechanism of sediment transport during low-flow periods. Overall, the interactions studied show that in sandy streambeds (i) the pattern of vertical water exchange is the primary physical template for the microbial community, and (ii) the activity of the microbial community and sediment transport are stochastic sources of spatiotemporal heterogeneity in vertical water exchange. These results contribute to the understanding and prediction of stream ecosystem functions in sandy streams, which is of special significance in light of the increase in fine sediment load in streams worldwide.
Nostocalean cyanobacteria differentiate heterocysts to fix dissolved nitrogen (N2) and dormant cells (akinetes) to survive harsh environmental conditions. The distribution and proliferation of Nostocales and their hibernation strategies in deep stratified lakes of different trophic states and climate zones were investigated. Studies were carried out in the meso-eutrophic Lake Kinneret (Israel) and in the mesotrophic Lake Scharmützelsee and the oligo-mesotrophic Lake Stechlinsee (Germany).
The spatio-temporal distribution of akinetes in sediments was analysed. The abundance in the sediment surface increased with water depth and differed due to basin morphometry. Light and temperature distribution revealed shallow areas of sedimentary akinete pool as a potential inoculum to contribute to the formation of a pelagic population. Hence, a small viable akinete pool was deposited in shallow sediments.
A CARD-FISH protocol was implemented to identify and quantify the akinetes in sediments. Tested Nostocales strains and akinetes in sediment samples were successfully labelled with 16S rRNA targeted probes and microscopically detected by their fluorescence signal. Akinete enumeration in field samples confirmed the suitability of the CARD-FISH approach.
Species- or genus-specific differences in the overwintering strategies of Nostocales were observed. Akinetes were the only overwintering form of Anabaena spp. On the other hand, Aphanizomenon flos-aquae overwintered as vegetative filaments in the pelagial of Lake Stechlinsee. In the other lakes studied, Aphanizomenon spp. performed an intermediate life cycle, with akinetes and a small pelagic population in winter. This suggested that Aphanizomenon spp. had another overwintering strategy contrary to the exclusively dormant strategy of Anabaena spp.
Putative strains of cylindrospermopsin (CYN)-producing Aphanizomenon ovalisporum were isolated from Lake Kinneret. Their morphologic and phylogenetic diversity, as well as the presence of CYN-encoding gene cluster and CYN production, were analysed. Four of the six strains were assigned to Anabaena bergii. Although all the isolated strains possess at least fragments of CYN gene cluster, no CYN production was detected. Non-CYN-producing Aphanizomenon ovalisporum strains and the presence of non-toxic Anabaena bergii in Lake Kinneret have not been reported before. This suggested that toxic and non-toxic Nostocales strains can coexist in lakes.
Ecological research on acidic lakes has historically focused on soft-waters, whereas biota in natural and man-made acidic hard-water lakes remains poorly studied. My thesis deals with the effects of multiple abiotic stressors on species and genetic biodiversity of littoral Cladocera in two types of acidic waters in Germany: hard-water mining and soft-water bog lakes. I found that these two types of acidic lakes supported highly distinct cladoceran communities, both with respect to their species diversity and composition, what led to the rejection of my null hypothesis that pH was the only abiotic factor, determining species diversity patterns. Further analyses revealed that, apart from pH, TDS-related parameters and trophy significantly affected species composition of littoral Cladocera in the studied lakes. Particularly the role of TDS and its constituents for colonization of acidic lakes was virtually neglected by previous studies, based on soft-water lakes’ data sets. My study on the genetic diversity of a generalist cladoceran Chydorus sphaericus provided evidence for genetic erosion, i.e. negative effects of abiotic stress in the acidic hard-water mining lakes, but not in the acidic soft-water bog lakes. I conclude that the observed genetic erosion in acidic mining lakes may have negative long-term consequences for population persistence even in broadly tolerant species. In general, biodiversity at both species and genetic levels was much more impaired in the acidic hard-water mining lakes, compared to the naturally acidic soft-water bog lakes. This was possibly due to both ecological (higher abiotic stress) and evolutionary (insufficient time for long-term adaptations to evolve) mechanisms. My results suggest that colonization of acidic hard- and soft-water lakes in each case should require specific physiological adaptations at both species and population levels. The practical relevance of my studies is that they provide the scientific basis for monitoring of acidic hard-water mining lakes based on littoral Cladocera. Especially genetic diversity proved a valuable indicator of water quality in acidic mining lakes, as it provided unique information on population-level responses, being complementary to species diversity assessment. Overall, my results demonstrate that inclusion of acidic hard-water lakes into the research framework as well as comparisons among communities in chemically diverse acidic lakes can result in important new insights, concerning the community organization and adaptations in acidic environments.
Phytoplankton succession and diversity-productivity relation in German and Brazilian shallow lakes
(2012)
Phytoplankton succession linked to productivity-diversity relationship at steady-state/non steady state conditions, mixing events as predominant disturbance in sense of Connell (1978) and influence of conditional differentiation (temperature) on phytoplankton diversity were investigated. Water samples were taken two times a week in 4 German shallow lakes in Brandenbug region (Melangsee, Petersdorfer See, Wolziger See, and Langer See) from 2007 to 2010 and in 2009/2010 during cold and rainy season in a Brazilian coastal lagoon Peri. A comparison between literature data from 4 Brazilian lakes, in order to investigate the influence of temperature on diversity and dynamic of phytoplankton species was also done. The cyanobacterial species dominated all studied lakes and the mixing had a positive effect on the supremacy of this group in tropical lakes. The high biovolume of cyanobacteria contributed to the achievement of steady state conditions in sense of Sommer et al. (1993) during consecutive periods in Petersdorfer See and in Peri lagoon practically during all phases. The monodominance of Cylindrospermopsis raciborskii was observed in warm water, under no stratification regime. Oscillatoriales of group S1 (Reynolds 2002), represented by Limnothrix redekei and Pseudanabaena limnetica, typical in turbid mixed layers and with high nitrogen affinity, were typical in Petersdorfer See. In Melangsee, steady state was observed during colder periods under dominance of Bacillariophyceae and Chrysophyceae. Lower diversity coincided with steady state conditions and higher values of resource use efficiency (RUE), while higher diversity occurred mainly at transitional state during the spring in temperate lakes, supporting the non-equilibrium concept (Hutchinson 1961) at lower RUE values. Higher biovolume occurred mainly during the late summer in temperate lakes under dominance of cyanobacteria, and/or at steady state. Concerning the temporal variation of phytoplankton, the highest peak of species richness preceded the resource use efficiency, suggesting the productivity as consequence of diversity. The richness was much higher in temperate shallow lakes, which were more similar to each other in terms of seasonality, species number and biovolume. A positive correlation between richness and biovolume of temperate lakes was found and the opposite was observed in tropical lakes. The biovolume and richness in tropical lakes were more variable and in temperate lakes presented higher richness at intermediate level of biovolume (annual mean from 10 to 18 mm3/l). Low level of biodiversity allows an ecosystem to function under constant conditions, but a greater biodiversity occurred in fluctuating environments.
Processes of microbial carbon transformation and accumulation during initial stream succession were investigated. Studies were carried out in the experimental watershed Chicken Creek, constructed to investigate ecosystem succession, and additionally in experimental flumes simulating sand-bed streams. In a one year investigation, microbial respiration in soils and sediments along the hydrologic flow path of three stream corridors in the Chicken Creek watershed was measured. Contrary to expectation, respiration rates of rewetted soil and sediment from dry stream channels were similar to rates measured with sediments collected in the perennial channel sections. This suggested that permanent water availability was not a main factor determining metabolic potential in this early successional watershed. In an outdoor flume experiment it was determined whether shallow (1cm) and deep (4cm) sediment disturbances in small sand-bed streams have similar effects on whole-stream metabolism, and whether autotrophic and heterotrophic processes and organisms respond in similar ways. Results suggested that disturbing sediments during early successional stages had no effect on whole-stream metabolism, whereas in advanced stages, deep but not shallow sediment disturbance could lead to a transitory shift towards heterotrophy. Changes in riparian and in-stream vegetation during stream succession come along with different amounts and types of organic matter input in stream ecosystems. It was tested to determine if increasing quality and quantity of litter input changes whole-stream metabolism and activity and structure of microbial communities associated with sediments and leaves. Whole-stream metabolism was found to be similar in all treatments because sediments and leaves were constrained by oxygen and nutrient availability. There seemed to be compensation between the effect of algae fueling microbial activity in open-land treatments and microbial use of allochthonous carbon sources in the litter treatments. Fungal and bacterial activity associated with leaves was unaffected by the background litter standing stock, but the structure of communities was affected. However, leaf quality had a clear effect on microbial activity and community structure with higher activity on tree compared to grass leaves.
Viele biotische und abiotische Faktoren, wie die Nahrungsqualität und diverse chemische Stressoren, bestimmen die Lebensparameter von Cladoceren. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Effekte der unterschiedlichen Futteralgen (Pseudokirchneriella subcapitata, Monoraphidium minutum und Desmodesmus armatus) auf die Lebensparameter von vier Cladoceren-Arten (Daphnia magna, D. galeata, Moina macrocopa und M. micrura) in An- und Abwesenheit von chemischem Stress, ausgelöst durch den Huminstoff HuminFeed® (HF). Um die Effekte von HF auf D. magna zu ermitteln, wurden Lebenszyklusexperimente durchgeführt. In umweltrelevanten Konzentrationen wirkte HF lebensverlängernd, jedoch zeigten sich Verminderung in der Reproduktion. Die Ergebnisse wurden im Licht der Disposable Soma Theorie diskutiert. Es konnte keine Steuerung der Energieallokation durch HF und durch die Futteralgenqualität festgestellt werden. In einem Multigenerationsexperiment wurde der Einfluss von HF auf D. magna über drei Generationen hinweg betrachtet. Dabei bewirkte HF stets eine Verminderung der Reproduktion und eine Erhöhung der Lebensspanne. Die Ergebnisse des ersten Filialgenerationsversuchs F1 haben gezeigt, dass ein signifikanter Unterschied in der Fruchtbarkeit von Versuchstieren besteht, die in derselben Umwelt aufgewachsen sind (ohne HF), aber deren Mütter (P) unterschiedlichen Behandlungen ausgesetzt waren. Die Ergebnisse des zweiten Filialgenerationsversuchs F2 haben aber aufgezeigt, dass die Umwelt, in der die Parentalgeneration aufgewachsen ist, die Fruchtbarkeit der F2 Generation nicht nachhaltig beeinflusst. Es handelt sich vermutlich um Transgenerationseffekte (epigenetische Programmierung). In einem Langzeitexperiment wurden die Auswirkungen vom HF auf die Reproduktion und die Lebensspanne von D. galeata untersucht. Es zeigte sich, dass HF erneut eine Steigerung der Lebensdauer und eine Verringerung der Reproduktion bewirkt. Die Ergebnisse wurden im Licht der Disposable Soma Theorie diskutiert. Des Weiteren wurde der Einfluss von HF auf die Lebensparameter von M. macrocopa untersucht. Durch die Zugabe von HF bei Fütterung mit D. armatus wurde teilweise eine Verkürzung der Lebensspanne und eine Erhöhung der Nachkommenzahl hervorgerufen. Bei Fütterung mit P. subcapitata zeigte sich, dass HF keine signifikanten Effekte erzielte. Bei Fütterung mit M. minutum konnte in exponierten Ansätzen eine Verlängerung der Lebensspanne und Erhöhung der durchschnittlichen kumulativen Nachkommenzahl festgestellt werden. Hormonähnliche Effekte der Huminstoffe wurden in Betracht gezogen. Die unterschiedliche Antwort von M. macrocopa auf Huminstoffe bei verschiedenen Futteralgen kann darauf hindeuten, dass die Energieallokation in M. macrocopa bei HF-Exposition durch die Futteralgenqualität gesteuert wird. Ebenfalls wurde bei M. micrura festgestellt, dass die Energieallokation unter dem chemischen Stressor HF durch die Futteralgenqualität gesteuert wurde. So wurde gezeigt, dass HF einen (teilweise signifikant) negativen Einfluss sowohl auf die Lebensspanne als auch auf die Fruchtbarkeit hat, wenn die Versuchstiere mit P. subcapitata gefüttert wurden. Werden M. micrura hingegen mit M. minutum gefüttert, wirkte HF teilweise lebensverkürzend und ein Trend zur Erhöhung der Nachkommenzahl war sichtbar. Diese Arbeit gibt Hinweise darauf, dass zwischen den Zooplanktonarten Unterschiede hinsichtlich der Antwort auf chemischen Stress und des Bedarfs an einzelnen Futterqualitätsfaktoren bestehen.
Rapidly developing countries are facing severe environmental problems at an extent that industrialized countries did not have to solve in comparable periods. Freshwaters belong to the ecosystems with the most severe impacts despite they are one of the most vital resources. The Lerma River is one example of a heavily degraded freshwater ecosystem in the rapidly developing country of Mexico. A number of NGOs and governmental institutions have made great efforts to elaborate strategies for the restoration and rehabilitation of the river system during the last years. Scientists from different disciplines and institutions met for a workshop at ININ in February 2009 to discuss the actual degradation of the upper Lerma River and argue about solutions for its sustainable restoration. This also included the presentation and discussion of new technologies that are currently in an experimental stage, but have the potential to solve different river pollution problems in the near future.
Die EU-Wasserrahmenrichtlinie (EU-WRRL 2000) beschäftigt Wasserforscher und Behörden in einer erfreulichen Weise: Erstmalig werden ökologische und gewässertypbezogene Bewertungsverfahren im nationalen Rahmen entwickelt und auf europäischer Ebene angepasst. Seit 999 sind die Autoren dieses Gewässerreportes in Projekten zur Erstellung eines Bewertungsverfahrens für das Phytoplankton in natürlichen Seen eingebunden. Die Verfahrensentwicklung begann mit einer umfassenden Literaturstudie zu Klassifizierungsverfahren von Seen und Flüssen anhand des Phytoplanktons. Diese internationale Literaturrecherche ergab, dass zwar gute Ansätze aus anderen Ökoregionen Europas vorhanden sind, diese sich jedoch nicht einfach auf die naturräumlichen Verhältnisse in Deutschland übertragen lassen oder nicht den vielfältigen Anforderungen der EU-WRRL genügen. Folglich beauftragte die Länderarbeitsgemeinschaft Wasser die Autoren, ein WRRL konformes Bewertungssystem zu entwickeln, das aus vorhandenen Überwachungsdaten gewonnen werden sollte. Allerdings machte die Zusammenführung dieser heterogenen Datenbestände deutlich, wie dringend eine Vereinheitlichung der Probenahmen und der mikroskopischen Erfassung erfolgen muss, da die einzelnen Bundesländer hierfür bisher sehr unterschiedliche Strategien praktizierten. Im Abschlussbericht wurden im Ergebnis die ersten Vorschläge für ein multimetrisches Bewertungssystem mittels Phytoplankton sowie zu seiner einheitlichen methodischen Erfassung beschrieben. In dem darauf folgenden 2-jährigen Praxistest wurden diese Empfehlungen einer bundesweiten Prüfung insbesondere auf Praktikabilität und Plausibilität unterzogen. Vielfältige Modifikationen des ersten Bewertungsentwurfes wurden notwendig infolge der Abstimmungsprozesse mit den Praxispartnern in den Bundesländern, mit den Anwendern in speziell zu diesem Thema ausgerichteten Workshops, aber auch innerhalb der EU („Interkalibrierung“). Ökologische Bewertung nach WRRL heißt, die Reaktion des Phytoplanktons auf eine anthropogene Belastung auf Ebene seiner Biomasse und seiner taxonomischen Zusammensetzung (Arten / Algenklassen) in Form von biologischen Kenngrößen (Metrics) zu berücksichtigen. Für die vorliegende Bewertungsherleitung für die Biokomponente Phytoplankton wird der Begriff „Belastung“ eingrenzend als eine anthropogen beschleunigte Eutrophierung und als Abweichung von einem Referenzzustand verstanden, wobei dieser Zustand nicht mehr allein biomasseorientiert, sondern auch durch die völlig neu entwickelte Liste an Indikatorarten (PTSI) definiert wird. Die Bewertung des Phytoplanktons erfolgt demnach mit einem multimetrischen Ansatz im Phyto-See-Index (PSI), der durch die Einbeziehung des Arteninventars sowie durch die neu definierten trophischen Referenzzustände in den meisten Fällen strenger ist als der in Deutschland bislang zur trophischen Einstufung von Seen verwendete LAWA-Index (1999). Um eine routinemäßige Bewertung einschließlich der Indikatorarten zu ermöglichen, wurde eine operative Taxaliste des Phytoplanktons mit Hinweisen für die Bestimmungstiefe sowie das Auswertungsprogramm „PhytoSee“ zur automatisierten Berechnung entwickelt, die zusammen eine schnelle Auswertung der standardisierten Messdaten erlauben.
In recent years Cylindrospermopsis raciborskii (Woloszynska) Seenayya et Subba Raju a potentially toxic freshwater cyanobacterium of the order Nostocales initially classified as a tropical species, has invaded the temperate region and has established in lakes in northern Germany. The formation of dormant cells (akinetes) is an important part of the life cycle which enables Nostocales species to survive harsh conditions like the winter in the temperate zone. In this thesis, my aim is to throw more light on the life cycle of the invasive cyanobacterium Cylindrospermopsis raciborskii and also to compare it to native Nostocales species of the genus Aphanizomenon using derived field and laboratory data. This would help in the understanding of the invasion of C. raciborskii and spread and how it can be contained. Abiotic factors influencing the development and growth of photoautotrophic planktonic organisms in nature are examined and their variation with the years is discussed. A comprehensive look at C. raciborskii’s akinetes in the sediment and the filaments and akinetes in the water column is done. The timing and temperature condition of akinete germination, recruitment, formation in the pelagic and importation into the sediment is determined. An assessment of the role of abiotic factors on the dynamics and abundance of filaments is done with a statistical model used to isolate which abiotic factors are most influential on the population growth of C. raciborskii. Akinetes distribution on the bed of the lake and the effect of loss processes on their abundance are looked into. Cylindrospermopsis is compared to native species Aphanizomenon spp in terms of the seasonal dynamics and the germination condition of their akinetes. The main findings in this thesis were that the seasonal dynamics of C. raciborskii had a similar trend but different timing of each event in the four years of the study. The variabilities were due to the different timing of the abiotic conditions. But in all temperature was identified as the most important factor influencing the timing of most events with germination of akinetes occurring at 13°C which is lower than so far reported in literature Subsequent increment in temperature to at least 23°C was found to be essential for the development of high populations of C. raciborskii in the water column. With a drop of temperature in autumn the filaments are stimulated in to producing akinetes which settle out into the sediment and remain there until the next spring when favourable conditions force them to germinate. They might also be consumed before germination by non identified grazer or losses due to microbial infections are discussed. Overall, the native Nostocales species of the genus Aphanizomenon have a selective advantage over the invaded species C. raciborskii under low temperatures and temperature fluctuations in spring as observed from the field and laboratory studies.
Das Vorkommen von Cyanobakterien, Anatoxin a und Microcystin wurde in 10 Gewässern erfaßt. Die Steuerung ihrer Dynamik wurde in 3 polymiktischen Seen untersucht und Effekte von Mixis mit Sedimentresuspension in Enclosures fokusiert. Die Gewässer waren durch Oscillatoriales, entweder Planktothrix agardhii oder Limnothrix spp. dominiert und wiesen hohe Biovolumina von Nostocales im Frühsommer auf. Hohe Lichtintensität und niedrige Stickstoff-Konzentrationen förderten die Entwicklung der Nostocales. Während des Sommers nahm die Lichtintensität aufgrund des steigenden Biovolumens der Cyanobakterien ab, was zum Rückgang der Nostocales und Dominanzen von Oscillatoriales führte. Durch Sedimentresuspension wurden Nährstoffpulse erzeugt, die zur Dominanz von P. agardhii führten. Bei Stagnation der Wassersäule waren die Nährstoffkonzentrationen niedriger und Limnothrix spp. gelangte zur Dominanz. Anatoxin a konnten auf Anabaena spp. zurückgeführt werden, Microcystine auf P. agardhii. Abnehmende Lichtintensität und/oder zunehmende Stickstoff-Konzentrationen förderten die Microcystin Produktion oder das Wachstum toxischer Stämmen.