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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.