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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).
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.
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.
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).
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.
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.
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.
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.
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.
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.