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Seenüberwachung

Einblick ins AFU-Labor

 

Stabiler Seezustand - was heisst das?

Gemäss den gesetzlichen Anforderungen an die Wasserqualität von stehenden Gewässern soll der Nährstoffgehalt in einem See höchstens eine mittlere Produktion von BiomasseAufklapp-PfeilBiomasseBiomasse bezeichnet die Gesamtheit der biochemisch synthetisierten Masse, also die Masse aller Lebewesen einschliesslich ihrer organischen Stoffwechselprodukte. Etwa 60 % der Biomasse der Erde wird durch Mikroorganismen dargestellt. Primärproduzenten (Pflanzen) sind durch die Photosynthese in der Lage aus für die Energiegewinnung nicht nutzbaren Stoffen (CO2, H2O, Mineralstoffe) unter Energiezufuhr Biomasse aufzubauen. Die Primärproduzenten werden als Nahrung von Konsumenten genutzt zur Produktion von tierischer Biomasse. Die in der Biomasse biochemisch gespeicherte Sonnenenergie kann auch als sich selbst erneuernder Energielieferant (nachwachsender Energieträger) für die Gewinnung elektrischer Energie oder als Treibstoff genutzt werden (Regenerative Energie). Die Verwendung von Biomasse zur Erzeugung von Wärme, elektrischer Energie oder als Treibstoff ermöglicht eine ausgeglichene CO2-Bilanz, da nur die Menge CO2 ausgestossen wird, die kurz zuvor biochemisch gebunden wurde.CO2Photosynthese zulassen (mesotropher Produktionstypus). Der Sauerstoffgehalt darf zu keiner Zeit und in keiner Tiefe weniger als 4 mg/l betragen, wenig sensible Tiere müssen ganzjährig den Seegrund besiedeln können.

Ein stabiler Seezustand auf niedrigem Produktionsniveau erfordert tiefe Phosphorgehalte im Seewasser. Ein für alle Seen gültiger PhosphorAufklapp-PfeilPhosphor (P)Phosphor ist eines der Grundelemente der organischen Chemie und als Mineralstoff Baustein jedes lebenden Organismus.  In der Natur kommt Phosphor ausschliesslich in gebundener Form, das heisst nicht gediegen, meist in Form der Phosphate in der Erdkruste vor. Von den weltweit jährlich geförderten etwa 100 Millionen Tonnen an Rohphosphaten werden etwa 90 % zur Herstellung von Düngemitteln verwendet.Phosphat-Richtwert existiert jedoch nicht, da das Geschehen im See auch durch seespezifische und nicht beeinflussbare Faktoren (Windverhältnisse, Tiefe etc.) geprägt wird. Im Einzugsgebiet von Seen gelten aber strenge Anforderungen an die Phosphorkonzentrationen im Auslauf von Abwasserreinigungsanlagen. Schwach belastete Seen zeigen Phosphorgehalte zwischen 3 und 20 mg/m3. Zur Gewährleistung eines stabilen Systems sollte der Phosphorgehalt auf möglichst tiefem Niveau gehalten werden können.

 

Sauerstoff

In der produktiven Schicht ist während der Stagnationsphase eine Sauerstoffübersättigung infolge der PhotosyntheseAufklapp-PfeilPhotosyntheseAls Photosynthese bezeichnet man die Erzeugung (die Synthese) von organischem Material in Pflanzen aus meist einfacheren anorganischen (seltener: organischen) Stoffen unter Verwendung von Lichtenergie, die mit Hilfe lichtabsorbierender Farbstoffe, der Chlorophylle, aufgenommen wird. Bei der Photosynthese laufen komplexe biochemische Prozesse ab. feststellbar, während in der Tiefe durch den Abbau von sedimentierter organischer Substanz Sauerstoff gezehrt wird. Das Ausmass der Über- und Untersättigung ist ein Hinweis auf die Intensität der Produktions- bzw. Abbauprozesse. Um die am Seegrund lebenden Organismen und insbesondere die Entwicklung der dort abgelegten Felcheneier nicht zu gefährden, sollte der Sauerstoffgehalt hier nicht unter 6 mg/l fallen. Massgebend sind dabei die erreichten Minimalwerte.

 

Phosphor-Verbindungen

In den meisten Seen spielt der PhosphorAufklapp-PfeilPhosphor (P)Phosphor ist eines der Grundelemente der organischen Chemie und als Mineralstoff Baustein jedes lebenden Organismus.  In der Natur kommt Phosphor ausschliesslich in gebundener Form, das heisst nicht gediegen, meist in Form der Phosphate in der Erdkruste vor. Von den weltweit jährlich geförderten etwa 100 Millionen Tonnen an Rohphosphaten werden etwa 90 % zur Herstellung von Düngemitteln verwendet.Phosphat (Ptot) bzw. das PhosphatAufklapp-PfeilPhosphatDie Bezeichnung Phosphate steht für die Salze der Phosphorsäuren. Ebenso werden organische Verbindungen, die Phosphatgruppen tragen, als Phosphate bezeichnet.  Die Hauptmenge der Phosphate kommt als Dünger zum Einsatz. Durch Erosion von landwirtschaftlichen Flächen gelangen sie an Tonminerale gebunden in Flüsse und Seen und können dort zur Eutrophierung beitragen. Weitere Verwendungszwecke sind Wasserenthärter, Waschmittel und Ausgangsstoff für weitere Phosphorverbindungen. Phosphate spielen auch bei der Lebensmittelherstellung (vor allem in der Fleischindustrie) eine sehr grosse Rolle.  Die meisten Phosphate, mit Ausnahme der von Natrium, Kalium und Ammonium, sind schlecht wasserlöslich. AmmoniumDüngerEutrophierungPhosphorPhosphatfällung bei ARA (PO4-P) als wachstumslimitierender Nährstoff eine Schlüsselrolle. Die Quellen sind natürliche Erosion, Emissionen aus der Landwirtschaft und Einträge mit dem gereinigten Abwasser aus Abwasserreinigungsanlagen (ARA). Durch die stetige Senkung der Phosphorfrachten in den Zuflüssen ist es in den vergangenen Jahren und Jahrzehnten gelungen, die Konzentrationen im Bodensee, Walensee und Zürich-Obersee bedeutend zu verringern. Massgebend dafür waren insbesondere Anstrengungen zur Reduktion der Phosphorgehalte im Auslauf von ARA (P-Fällung, Flockungsfiltrationsstufen) und das Phosphatverbot in Textilwaschmitteln von 1986.

 

Stickstoff-Verbindungen

Auch die StickstoffAufklapp-PfeilStickstoff (N)Molekularer Stickstoff ist ein Hauptbestandteil der Luft. Er ist in der Umwelt ein wichtiger Dünger, der durch Luftstickstoffbindung (vor allem durch Knöllchenbakterien in Wurzeln von Leguminosen) auf natürlichem Wege im Humus angereichert wird. In atomarer Form ist er als Baustein der Proteine ein wichtiges Hauptnährelement aller Organismen. Stickstoff ist ein zentrales Element im Stoffhaushalt der Ökosysteme und wurde, da es in Mineralien relativ selten auftritt, auf der Erdoberfläche und im Wasser fast ausschliesslich biotisch angereichert.  In der Erdatmosphäre sind 75,5 Massen-Prozent oder 78,7 Volumen-Prozent Stickstoff enthalten. In der Erdkruste kommt Stickstoff nur zu 0,03 % vor. Stickstoffhaltige Mineralien sind relativ selten.  In der Natur gibt es zahlreiche wichtige organische Stickstoffverbindungen, wie beispielsweise Eiweisse und Nukleinsäuren. In Form der anorganischen Nitrate und Ammoniumverbindungen erfolgt die Aufnahme bei Pflanzen über die Wurzeln. Umgekehrt werden beim Abbau organischen Materials (beispielsweise durch Verwesung) diese Verbindungen wieder frei gesetzt und stehen dem Stoffkreislauf wieder zur Verfügung (Stickstoffkreislauf). AmmoniumDüngerNitrat-Verbindungen gelangen aus natürlicher Erosion, aus der landwirtschaftlichen Nutzung und aus Abwasserreinigungsanlagen in die Seen. Bei der Seeüberwachung stehen die anorganischen Stickstoff-Verbindungen AmmoniumAufklapp-PfeilAmmonium (NH4)Das Ammonium-Ion NH4+ ist die konjugierte Säure zur Base Ammoniak NH3.In der Natur, beispielsweise im Boden und in Gewässern, entsteht Ammonium-Stickstoff in erster Linie beim Abbau tierischer oder pflanzlicher Eiweisse. In der Gülle und im Abwasser aus den Haushaltungen ist viel Ammonium enthalten. Es wird im Boden, in Gewässern und in den dafür ausgelegten Abwasserreinigungsanlagen unter Sauerstoffverbrauch zu Nitrit und weiter zu Nitrat oxidiert. Dies erfolgt durch so genannte nitrifizierende Bakterien. Der Vorgang wird Nitrifikation genannt. Er ist im Boden durchaus erwünscht, denn dadurch wird aus Ammoniumdünger oder Gülle das für Pflanzen als Nährsalz wichtige Nitrat gebildet. In Gewässern ist die Nitrifikation Teil der Selbstreinigung. Übersteigt die Abwasserfracht die Selbstreinigungsfähigkeit des Gewässers, so entstehen daraus erhebliche ökologische Probleme (Ammonium wirkt als Fischgift in Gewässern). Ammonium selbst ist relativ harmlos, steht aber im Gleichgewicht mit Ammoniak, einem starken Gift. Das Gleichgewicht zwischen beiden Stoffen hängt massgeblich vom pH-Wert und der Temperatur des Wassers ab. Der Anteil des Ammoniaks steigt bei steigendem pH-Wert und steigender Temperatur.Abwasserreinigungsanlage ARAAmmoniakNitratNitritNitrifikationpH-Wert (NH4) bzw. AmmoniakAufklapp-PfeilAmmoniakAmmoniak (NH3) ist ein stark stechend riechendes, farbloses und giftiges Gas, das auf feuchten Körperoberflächen ätzend wirkt und zum Beispiel Tränen und Lungenschäden bewirken kann. Die Dichte von trockenem Ammoniakgas ist geringer als die Dichte der Luft. Ammoniak-Luft-Gemische können explosiv sein. Ammoniak ist sehr gut wasserlöslich, bei 0°C lösen sich in 100 ml Wasser ca. 90 g. Diese Ammoniaklösung heisst Salmiakgeist (Ammoniumhydroxid). Sie reagiert alkalisch. Ammoniak wirkt auf Haut und Schleimhäute (insbesondere auch auf die Augen) ätzend. Geschluckt ruft es blutiges Erbrechen mit heftigen Schmerzen und Lungenschäden hervor, unter Umständen mit tödlichem Ausgang. Ein Ammoniakgehalt der Luft von 1,5 bis 2,5 g/m³ wirkt nach 30 bis 60 Minuten tödlich. Die maximale Arbeitsplatzkonzentration (MAK-Wert) liegt bei 14 mg/m³, entspricht 20 ml/m³ Luft. Gülle enthält viel Ammoniak und hat von ihm den typisch stechenden Geruch.Ammoniak ist auch ein starkes Fischgift. Im Wasser steht es stets im Gleichgewicht mit Ammonium. Dabei steigt der Anteil des Ammoniaks bei steigendem pH-Wert und steigender Temperatur. Ammoniak wirkt nicht als Treibhausgas und baut die Ozonschicht nicht ab. Es wird oft in Kälteanlagen verwendet (Kältemittelbezeichnung R717).Ammonium (NH3), NitritAufklapp-PfeilNitritNitrit (NO2ˉ) ist das Anion der salpetrigen Säure. Salze, die das Nitrit-Ion enthalten, bezeichnet man als Nitrite (z. B. Natriumnitrit, Kaliumnitrit). Nitrit-Ionen werden im Boden oder in Gewässern durch Nitritbakterien durch Oxidation aus Ammonium-Ionen unter Verbrauch von Sauerstoff gebildet; sie entstehen auch unter anaeroben Bedingungen durch Reduktion aus Nitrat-Ionen. Nitrite sind in grösseren Mengen giftig und an der Bildung der krebserregenden Nitrosamine beteiligt. Nitrit wird auch als starkes Fischgift angesehen und gilt generell als Krebs erregend. Die Toxizität von Nitrit für Fische ist vom Chloridgehalt im Wasser abhängig. Bei tiefen Chloridkonzentrationen wirkt Nitrit toxischer als bei höheren.AmmoniumanaerobChloridNitratToxizität (NO2) und NitratAufklapp-PfeilNitratDas Nitrat-Ion (NO3-) ist das Anion der Salpetersäure. Salze, die das Nitrat-Ion enthalten, bezeichnet man als Nitrate. Nitrate werden in der Landwirtschaft als Düngemittel eingesetzt.  Es gilt mittlerweile als erwiesen, dass übermässiger Düngeeinsatz zu einem erhöhten Nitratgehalt in insbesondere oberflächennahen Trinkwasservorkommen führen kann. Der Anforderungswert für Trinkwasser beträgt 25mg/l.  Zu viel Nitrat im Trinkwasser und in gedüngtem Gemüse kann zu einer gesundheitlichen Gefährdung führen. Ein zu hoher Nitrat-Wert des Wassers stellt auch eine Gefährdung der Wassertiere dar, die mitunter zum Tode führen kann. (NO3) im Vordergrund. Ammoniak und Nitrit wirken für Fische toxisch. Als reduzierte Verbindungen steigen ihre Konzentrationen mit abnehmenden Sauerstoffgehalten, weshalb sie im Tiefenwasser von Bedeutung sein können, während Nitrat als Nährstoff zur Algenproduktion dient. Bei sehr hohen Phosphorgehalten kann in Seen auch Stickstoff zum limitierenden Wachstumsfaktor werden. Umgekehrt bestehen noch keine Kenntnisse über die Wirkung steigender Stickstoffkonzentrationen in einem phosphorarmen See.

 

Phytoplankton

Die Menge der Algenbiomasse ist ein direktes Mass für die Produktivität eines Sees. Ihre Entwicklung widerspiegelt die biologische Reaktion des Sees auf die Veränderungen bei der Phosphorzufuhr. Ein eigentlicher Sanierungserfolg lässt sich an einer gesamthaft verminderten Algenproduktion messen. Zur Erfolgskontrolle ebenfalls beigezogen wird die Erfassung der Artenzusammensetzung des PhytoplanktonsAufklapp-PfeilPhytoplanktonDer Begriff Phytoplankton bezeichnet pflanzliches Plankton, vor allem bestehend aus Kieselalgen (Bacillariophyta), Grünalgen, Goldalgen, Dinoflagellaten und Blaualgen (Cyanobakterien). Es baut als Primärproduzent mit Hilfe von Licht in der Photosynthese aus Kohlendioxid und Nährstoffen seine Körpersubstanz (Biomasse) auf (Primärproduktion). Das Phytoplankton ist damit die Basis der autochthonen Nahrungspyramide in stehenden und langsam fliessenden Gewässern.  Phytoplankton wird gefressen vom Zooplankton und vielen Tieren, die am Boden der Binnengewässer und Meere leben. Plankton-Tiere haben erstaunliche netzartige Strukturen entwickelt, um es aus dem Wasser zu filtrieren. Eine der bemerkenswertesten und direktesten Nahrungsketten ist: Phytoplankton ->Krill -> Wal. BiomasseKohlendioxidPhotosynthese. Eine verringerte Düngung bewirkt im Artenspektrum Verschiebungen hin zu Arten, die für nährstoffarme Verhältnisse typisch sind.

 

 

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