Das Grundwasser

Vorbemerkung:

Grundwasser ist Wasser, das unterirdische Bodenhohlräume zusammenhängend ausfüllt. Abb. 3 zeigt die Sicker- und Strömungswege des unterirdischen Wassers. Es unterliegt ausschließlich der Schwerkraft und wird hauptsächlich von Niederschlagwasser, gebildet. Daneben tragen zum Grundwasserhaushalt die Uferfiltrate von Oberflächengewässern, künstliche Versickerungsanlagen und Rieselfelder bei. Je nach Bodenpermeabilität (Durchlässigkeit) versickert das Wasser unterschiedlich schnell, die Fließgeschwindigkeit beträgt in Sanden etwa 1 bis 4 m pro Tag, in Kiesen etwa 6 bis 9 m pro Tag, in groben Talschottern bis zu 15 m pro Tag und in Karstsystemen mehrere Kilometer pro Tag. Demgegenüber fließt das Wasser im Rhein 70 bis 200 km pro Tag, je nach Pegelstand. Da in der Regel der Untergrund nicht einheitlich aufgebaut ist sondern wasserdurchlässige Stellen mit wasserundurchlässigen Schichten wechseln, kommt es zur Bildung von Grundwasserstockwerken in verschiedenen Tiefen gemäß Abb. 2. - Abb. 4 zeigt einen Querschnitt, mit den unteren Grundwasser Horizonten.

Grundwasser-Nutzung

Trinkwasserverbrauch

Abb. 1: Trinkwasserverbrauch                                      

Grundwasseranteil an der öffentlichen Wasserversorgung

Bundesland
 
 

Wassergewinnung
insgesamt
in Mio. m³

Grundwasser *
in Mio. m³
 

Grundwasser *
in %
 

Grundwasser *
pro Einw.
in m³

Baden-Württemberg

686

487

71

45

Bayern

901

828

92

67

Berlin

215

215

100

63

Brandenburg

126

118

94

46

Bremen

14

14

98

21

Hamburg

122

122

100

70

Hessen

361

353

98

58

Mecklenburg-Vorpommern

94

78

83

46

Niedersachsen

536

474

88

59

Nordrhein-Westfalen

1 301

564

43

31

Rheinland-Pfalz

259

221

85

54

Saarland

68

68

100

65

Sachsen

296

87

29

20

Sachsen-Anhalt

80

62

77

25

Schleswig-Holstein

178

177

100

63

Thüringen

135

85

63

36

Deutschland

5 372

3 953

74

48

Tab. 1:  Grundwasseranteil an der öffentlichen Wasserversorgung der Bundesländer in 2004
(Quelle: Statistisches Bundesamt)

Im Jahr 2006 wurden in der Bundesrepublik Deutschland 6824 Mrd. m3 Grundwasser; für Haushalt und Industrie gefördert, hinzu kommen weitere 1276 Mrd. m3 Quellwasser.

 GrundwasserstockwerkeAbb. 2. Schematische Darstellung der Grundwasserverhältnisse in einem Porengrundwasserleiter
mit mehreren Stockwerken (entnommen aus DIN 4021, Entwurf 1988)

Lernziel:

Der Schüler/Student soll erkennen und beschreiben können, dass:
Bei der Gesamtgrundwassermenge unterschieden werden muss zwischen echtem Grundwasser, Uferfiltrat und mit Oberflächenwasser angereichertem Grundwasser. Grundwasser wird zu etwa gleichen Teilen für die kommunale und die industrielle Wasserwirtschaft genutzt. Er sollte weiter abschätzen können welchen Reinheitsgrad die unterschiedliche Nutzung von Grundwasser voraussetzt. Nicht zuletzt müssen Kenntnisse über Grundwasserreinhaltung und Grundwasserschutz vermittelt werden.

Für die kommunale Wasserversorgung ist das Grundwasser am besten geeignet, da seine gleichbleibende hohe Qualität eine gesicherte und kostengünstige Aufbereitung zu Trinkwasser erlaubt. Echtes Grundwasser hat an der kommunalen Wassergewinnung einen Anteil von 61,3%, Quellwasser von 13,3% und Oberflächenwasser von 25,4%. 35,5%, des Oberflächenwassers dienen wiederum zur Grundwasseranreicherung, 29,7% sind Uferfiltrat und nur 34,8% werden direkt zu Trinkwasser aufbereitet.

In der Industrie und der Energiewirtschaft wird Grundwasser überwiegend zu Kesselspeisewasser für die Dampferzeugung aufbereitet. Wegen seiner gleichbleibenden tiefen Temperatur wird Grundwasser in Sonderfällen auch zu Kühlzwecken und wegen seiner gleichbleibenden Qualität auch als Rohstoff besonders in der Pharma- und Lebensmittelindustrie verwendet.

Eine Grundwassergewinnung für industrielle Belange erfordert keine Ausweisung besonderer Schutzgebiete; sie ist aus allen Horizonten und Regionen möglich. Dagegen sind Gebiete mit urbanen oder industriellen Ansiedlungen wegen ihrer großflächigen Bebauung und besonderen Gefährdung durch kommunale oder industrielle Einwirkungen für eine Trinkwassergewinnung aus dem oberen Horizont wenig oder überhaupt nicht geeignet.

Vor einer Nutzung des Grundwassers sind exakte Analysen zur Bestimmung der Wasserinhaltsstoffe durchzuführen, um den verfahrenstechnischen Aufwand für die Wasseraufbereitung festzulegen. Soll Trinkwasser gewonnen werden, sind neben der chemischen Analyse auch bakteriologische Untersuchungen erforderlich, um sicherzustellen, dass keine fäkalen Einwirkungen vorliegen. Die Methoden der Grundwasser-Analyse sind in [Wasserchemische Gesellschaft, Fachgruppe in der GDCh / in Gemeinschaft mit dem Normenausschuss Wasserwesen (NAW) im DIN e.V. (eds.)Deutsche Einheitsverfahren zur Wasser-, Abwasser- und Schlamm-Untersuchung; Physikalische, chemische, biologische und bakteriologische Verfahren. Aktuelles Grundwerk (Lieferung 1-74, Stand: Januar 2009)Deutsche Einheitsverfahren] ausführlich beschrieben.

Wasserkreislauf_BfGAbb. 3: Schematische Darstellung des Wasserkreislaufs mit Zahlen der mittleren
Wasserbilanz für Deutschland 1961 - 1990 (nach BfG 2004) Quelle: BGR

Grundwasser-Schutz

Etwa 49 % der Landesfläche Deutschlands weist Porengrundwasserleiter auf, teilweise mit sehr bedeutenden Grundwasservorkommen. Rund 12 % der Fläche wird von Kluftgrundwasserleitern und ca. 6 % von Karstgrundwasserleitern eingenommen. Etwa ein Drittel Deutschlands verfügt nur über lokale und geringe Grundwasservorkommen. Quelle: BGR

Grundwasser_in_Kristallinem_GesteinAbb.4: Kluftgrundwasser in kristallinen Gesteinen

Eine verantwortliche Grundwasser-Bewirtschaftung beinhaltet Maßnahmen zum quantitativen und qualitativen Grundwasserschutz. Grundwasser-Entnahmen aus verschiedenen Horizonten, Landversiegelung, Niederschlagsintensität, Oberflächenwasserinfiltration, Kontamination durch Schadstoffe, etc. wirken sich unterschiedlich auf Grundwasserhaushalt und -güte aus. Es ist daher notwendig, diese sich überlagernden Vorgänge bei der Grundwassersicherung zu beachten und Vorkehrungen zum Schutze des Grundwassers zu treffen.
Grundwasser kann nicht unbegrenzt dem Untergrund entzogen werden, da seine Entnahme stets mit einer Pegelabsenkung verbunden ist. Dieser sind je nach geologischem Aufbau des Untergrunds unterschiedliche Grenzen gesetzt.
Während bei Einzelbrunnen lediglich ein lokal begrenzter Absenkungstrichter entsteht, liegt bei Brunnengalerien, wie sie von kommunalen oder industriellen Wasserversorgern, aber auch für Bewässerungszwecke betrieben werden, eine großflächige Grundwasserabsenkung vor. Hiervon können weitere, ebenfalls auf ein ausreichendes Grundwasserangebot angewiesene Nutzungen betroffen werden. So konkurrieren bei der Nutzung des oberflächennahen Grundwasserleiters ökologische Interessen (Erhaltung von Nassgebieten, Tiefwurzelpflanzen etc.) mit der Entnahme für Bewässerungszwecke in Landwirtschaft und Gärten.

Bei den tieferen Grundwasserleitern ist zu beachten, dass die Grundwasserpegel nicht unter die trennenden Tonschichten absinken, da sonst die Gefahr einer Trennton-Schädigung besteht. Dies kann zu direkten hydraulischen Verbindungen zwischen den unterschiedlich tiefen Grundwasserleitern führen. Als Folge gelangt oberflächennahes Grundwasser direkt ohne ausreichende Verweilzeit in das Tiefengrundwasser und kann dessen Güte negativ beeinflussen. Im umgekehrten Fall ist bei hochgespannten Grundwasserleitern die Bildung von artesischen Brunnen möglich. Um eine Überförderung des Grundwassers zu vermeiden. ist es notwendig, die Grundwasserpegel zu beobachten und besonders für Ballungsräume Grundwasser-Bewirtschaftungspläne zu erstellen, die auch mathematische Grundwasser-Modelle als Hilfsmittel in die Kontrollmaßnahmen mit einbeziehen.

Die Qualität des Grundwassers, Art und Menge der darin gelösten Mineralien und seine Temperatur werden von der Beschaffenheit des Untergrunds, von der Versickerungsgeschwindigkeit, der Aufenthaltstiefe und -zeit des Grundwassers bestimmt. Je nach geologischen Verhältnissen treten dabei von Ort zu Ort große Unterschiede in der chemischen und physikalischen Beschaffenheit des Grundwassers auf. Zusätzlich kann durch anthropogene Einflüsse, wie Leckagen aus Abwassersystemen oder erdverlegten Öltanks, Verkehrsemissionen, historischen Deponien, Unfällen usw., vor allem das Grundwasser in den oberen Horizonten mit Schadstoffen belastet werden. Hieraus ergibt sich die Notwendigkeit, durch besondere Maßnahmen das Grundwasser vor schädlichen Einwirkungen zu schützen, vor allem in Gebieten, in denen Grundwasser zur Aufbereitung, von Trinkwasser entnommen wird. Diese als Wasserschutzzonen bezeichneten Flächen sollten bevorzugt außerhalb menschlicher oder industrieller Ansiedlungen in Wald-, Feld- oder Wiesenregionen liegen.

Wasserschutzzonen

wasserschutzzone

Zone 1 (Fassungsbereich): Die Wasserschutzzone I schützt die eigentliche Fassungsanlage (Brunnen) im Nahbereich. Jegliche anderweitige Nutzung und das Betreten für Unbefugte sind verboten.

Zone 2 (engere Schutzzone):
Die Fließzeit vom Rand der engeren Schutzzone bis zum Brunnen soll mindestens 50 Tage betragen. Dies soll das Trinkwasser vor bakteriellen Verunreinigungen schützen. Bei sehr günstigen Untergrundverhältnissen (z.B. gespannter Grund- wasserspiegel) soll die Grenze mindestens 10 m Abstand von der Wasserfassung haben. Die Verletzung der Deckschicht ist verboten, deshalb gelten Nutzungsbeschränkungen u. a. für:

  • Bebauung
    Landwirtschaft, vor allem bzgl. Düngung
    Umgang mit Wasserschadstoffen (Bodennutzung mit Verletzung der oberen Bodenschichten; z.B. Straßenbau)

·  Zone 3 (weitere Schutzzone):
Sie umfasst das gesamte Einzugsgebiet der geschützten Wasserfassung. Hier gelten Verbote bzw. Nutzungseinschränkungen wie beispielsweise:

  • das Ablagern von Schutt, Abfallstoffen und wassergefährdenden Stoffen
    die Ausbringung von Gülle und Klärschlamm
    die Anwendung von, Pflanzenschutz- und Schädlingsbekämpfungsmittel Massentierhaltung, Kläranlagen, Sand- und Kiesgruben

·  Zu diesen Schutzmaßnahmen gehört, dass Deponien zur Ablagerung von Hausmüll oder industriellem Abfall gegen das umgebende Erdreich so zu sichern sind, dass ein Eindringen von wassergefährdenden Substanzen in das Grundwasser wirksam verhindert wird. Dies kann durch natürliche oder künstliche Untergrund-Abdichtungen erreicht werden bzw. durch Filterschichten, z. B. aus Kalk, Aktivkohle oder Zeolithe, die Schadstoffe im Sickerwasser zurückhalten. Natürliche Abdichtungen sind anstehende Lehm- oder Tonschichten, deren Gefälle so groß ist, dass auf der Abdichtungsschicht innerhalb der Deponie sich kein Wasser stauen kann. Künstliche Abdichtungen sind Lehmpackungen oder Folien; sie werden so verlegt, dass kein Sickerwasser in das Grundwasser eindringen kann. Als zusätzliche Sicherung können der Deponiebereich mit Schlitzwänden umfasst und der Grundwasserpegel so abgesenkt werden, dass immer ein Strömungsgefälle zur Deponie hin vorliegt. Das nicht von der Oberflächenabdeckung zurückgehaltene Niederschlagswasser und das im Müllkörper durch anaeroben Abbau entstehende Prozesswasser sind in Drainagen zu sammeln und einer Abwasserbehandlung zuzuführen.

Eine Rekultivierung der Deponie mit Pflanzen verringert das Versickern von Niederschlagswasser wesentlich, da große Wassermengen oberflächennah gespeichert und durch Verdunstung wieder abgegeben werden. Außerdem kann durch entsprechende Gestaltung der Deponie (z. B. Hangneigung nach außen) Niederschlagswasser unmittelbar an der Oberfläche aus dem Deponiebereich abgeleitet werden. Bei größeren Halden ist es sinnvoll, außerhalb des Deponiebereichs ober- und unterhalb der Grundwasserströmung Kontrollbrunnen anzubringen.

Über die Beeinflussung der Grundwasserqualität durch Düngemittel gibt es eine Vielzahl von Untersuchungen. Die wichtigsten durch Düngenährstoffe in den Untergrund eingetragenen Komponenten sind Nitrat, Ammonium, Phosphat, Kalium-, Calcium-, Magnesium-, Natriumionen, Sulfat und Chlorid. Die Gewässergüte beeinflussen vor allem Phosphat und Nitrat.

Von der Erdoberfläche gelangen kaum Phosphor-Verbindungen in das Grundwasser, da sie im Boden physikalisch, chemisch und biologisch fixiert werden. Der unterirdische Phosphat-Austrag aus landwirtschaftlich genutzten Flächen liegt pro Jahr etwa bei 0,1 kg/ha Phosphor, vergleichsweise dazu beträgt dieser für Waldgebiete etwa 0,06 kg/ha Phosphor. Bei den meisten landwirtschaftlich genutzten Böden ist die Bindungsfähigkeit für Phosphat so groß, dass die Düngung den Phosphat-Gehalt des Grundwassers nicht messbar erhöht. Im Gegensatz dazu kann Phosphat bei Oberflächengewässern, besonders bei Seen, wesentlich zur Eutrophierung beitragen. Der Phosphat-Anteil aus der Bodendüngung am Gesamtphosphat-Eintrag in die Oberflächengewässer ist geringer als jener der durch industrielle und häusliche Abwässer in die Umwelt gelangt.

Stickstoff wird von allen Hauptnährstoffen am leichtesten in den Boden verlagert. Dabei ist es besonders schwierig, den in das Grundwasser gelangenden Stickstoff auf düngungsbedingte und nicht düngungsbedingte Anteile aufzugliedern. Eine Vielzahl von Untersuchungen zeigen, dass die Möglichkeit einer Auswaschung des mineralisierten Bodenstickstoffs, ungleich größer ist als die des Düngerstickstoffs. Wenn dieser gezielt und in berechneten Mengen zur Pflanzenentwicklung eingebracht wird, wird er von der Pflanze sofort aufgenommen und gelangt im Allgemeinen weder ins Grund- noch ins Oberflächenwasser. Eine Überdüngung dagegen führt unweigerlich zur Kontamination des Grundwassers.

Eine Verringerung der Gewässer - Eutrophierung ist somit durch eine Verminderung der Düngung, sondern auch durch erosionshemmende Maßnahmen zu erreichen, die verhindern, dass Abschlämmungen in die Gewässer gelangen. Im Gegensatz zum Oberflächenwasser wird Grundwasser durch die Düngung mit zeitlicher Verzögerung und weniger in seiner Qualität beeinflusst. Eine Beeinträchtigung des Grundwassers ist in niederschlagsreichen Regionen beim Anbau von Sonderkulturen in durchlässigen Böden besonders oft zu beobachten.

Die Möglichkeit einer Verunreinigung des Grundwassers durch Pflanzenschutzmittel ist von mehreren Faktoren abhängig. In erster Linie vom Sorptionsverhalten des Wirkstoffes im Boden, daneben spielen aber auch die physikalisch-chemischen Eigenschaften der jeweiligen Verbindung eine wesentliche Rolle. Ein weiterer Faktor ist die Abbaugeschwindigkeit des Pflanzenschutzmittels im Boden; diese kann je nach Wirkstoff eine Halbwertszeit zwischen nur wenigen Tagen und mehreren Monaten oder auch Jahren betragen. Darüber hinaus ist zu beachten, dass viele Abbauprodukte von Pestiziden selbst gefährliche Umweltgifte darstellen. Generell gilt, dass die Beeinflussung der Grundwassergüte durch Pflanzenschutzmittel flächendeckend noch nicht alarmierend ist, die bisher gefundenen Konzentrationen liegen meist im ppb- oder ppt -Bereich. (ppb = 1 Teilchen auf 1 Billion andere Teilchen, ppt = 1 Teilchen auf 1 Trillion andere Teilchen) Eine stärkere Verunreinigung des Grundwassers ist aber nicht auszuschließen, es bedarf dazu einer Reihe ungünstiger Voraussetzungen. Dies wären beispielsweise schwach sorptive Deckschichten mit geringer Mächtigkeit, Starkregen unmittelbar nach der Anwendung und ungünstige hydrogeologische Verhältnisse. Durch entsprechende Anwendungsbeschränkungen und -verbote in Trinkwasser-Schutzgebieten muss einer Verunreinigung des Grundwassers vorgebeugt werden.

Bei Unfällen oder Leckagen an Tanksystemen oder produktführenden Leitungen, bei denen ein begrenzter Teil des Untergrundes mit Schadstoffen kontaminiert wird, ist als beste Maßnahme für den Grundwasserschutz, den Boden unverzüglich abzutragen und auszutauschen.

Das Verschließen eines Bohrlochs ist gleichfalls eine Maßnahme zum Grundwasserschutz. Bei der Grundwasserförderung aus den unteren Horizonten werden zum Teil mehrere trennende Tonschichten durchbohrt. Ist ein Brunnen erschöpft oder wird er außer Betrieb genommen, so ist es erforderlich, das Bohrloch zu verschließen. Üblicherweise geschieht das in Abstimmung mit dem zuständigen Wasserwirtschaftsamt durch Auszementieren des Bohrloches. Wird ein nicht mehr genutztes Bohrloch oder ein Loch zur Pegelmessung nicht ordnungsgemäß verschlossen, so besteht die Gefahr, dass infolge von Korrosion an den Bohrrohren im Laufe der Zeit „Fenster“ in den grundwassertrennenden Tonschichten entstehen. Dies führt zu einer Gefährdung des Tiefengrundwassers, da qualitativ minderwertiges Oberflächenwasser oder oberflächennahes, belastetes Grundwasser ohne ausreichende Verweildauer direkt in die unteren Grundwasserhorizonte einströmen können.

Oberflächenwasser

Als Oberflächenwasser werden diejenigen Gewässer bezeichnet, die natürliche oder künstlich angelegte oberirdische Gewässer bilden und deren Oberfläche direkten Diffussionskontakt zur Atmosphäre hat. Hierzu zählen Flüsse, Seen, Teiche, Talsperren, Kanäle, die Meere. In der Bundesrepublik Deutschland werden die Oberflächengewässer zu 51,4% aus Zuflüssen von Oberliegern, zu 39,4% aus dem Grundwasser und zu 9,2% aus Niederschlägen gespeist.

Je nach Art des Oberflächengewässers, ob stehend oder fließend, weisen die Gewässer unterschiedliche physikalische, chemische und biologische Zustandsbedingungen auf. Ihr biozönotisches Gleichgewicht ist gekennzeichnet durch Art und Anzahl der Organismen, welche die Gewässer beinhalten. Maßgebende Faktoren für eine im Gleichgewicht befindliche Biozönose sind Temperatur und Sauerstoff-Gehalt des Gewässers, aber auch der Gehalt an organischen sowie anorganischen Stoffen.

Fließgewässer haben wegen ihrer Turbulenz meist im gesamten Abflussquerschnitt die gleiche Temperatur. Deren Absolutwert wird im Wesentlichen durch die meteorologischen Bedingungen bestimmt, aber auch Wärmeeinleitungen durch Kraftwerke, Kommunen und Industrien wirken sich auf die Gewässertemperatur negativ aus. Die typische Temperaturganglinie eines großen Fließgewässers zeigt, dass im Allgemeinen im Winterhalbjahr die mittleren Gewässertemperaturen höher und im Sommerhalbjahr niedriger als die mittleren umgebenden Lufttemperaturen liegen.
Demgegenüber weisen stehende Gewässer jahreszeitbedingte Temperaturschichtungen auf.

 Oberflächenwasser-Nutzung

Aus Oberflächenwasser werden rund 75% der gesamten Wassergewinnung in der Bundesrepublik Deutschland gedeckt. Die Wärmekraftwerke der öffentlichen Energieversorgung entnehmen ihr Wasser fast ausschließlich Oberflächengewässern, bei der Industrie nimmt der Oberflächenwasseranteil am Gesamtwasseraufkommen stetig zu.

Die Wassernutzung bei Industrie und Energieversorgung untergliedert sich nach Kühlwasser, Kesselspeisewasser und sonstig genutztem Wasser. Wegen seiner begrenzten Verfügbarkeit sowie Belastbarkeit mit Abwärme und Abfallstoffen muss Wasser auch mehrfach genutzt werden - beispielsweise durch den Einsatz von Kühlkreisläufen. So hatte die Industrie der Bundesrepublik Deutschland bereits 1977 einen Nutzungsfaktor - Quotient aus Wassernutzung zu Wasseraufkommen - von 3 erreicht.

Kühlwasser, welches überwiegend aus aufbereitetem Oberflächenwässer stammt, dient zur Ableitung von Prozesswärme auf niedrigem Temperaturniveau; es macht allein bei den Kraftwerken einen Anteil von 96,5% und bei der Industrie einen Anteil von 83,9% an der Gesamtwassernutzung aus. Die hohe Nutzung für Kühlzwecke erklärt sich aus den physikalischen Bedingungen, unter denen die Prozesse in Kraftwerken und Industrieanlagen betrieben werden, da Wasser als Kühlmittel wegen seiner spezifischen Stoffdaten und seiner niedrigen natürlichen Umgebungstemperatur wesentlich dazu beiträgt, Primärenergie und Rohstoffe einzusparen.

Ökologie und Belastung der Oberflächengewässer

Lernziel:

Der Schüler/Student sollte sich einen Überblick über wichtige Stoff- und Energiekreisläufe in der Natur, aquatische Lebensgemeinschaften, biologische Gleichgewichte und deren Störungen durch Belastungen verschaffen. Sowie grundlegendes zur Ökologie erfahren, die sich mit den Grundlagen und Wechselwirkungen des Zusammenlebens der Organismen einerseits und den Beziehungen zu ihrer Umwelt andererseits befasst.  

Stoff- und Energiekreisläufe

Die wesentlichen Grundmerkmale des Lebens sind der Aufbau, die Funktion und die weitgehend identische Reproduktion komplexer ein- oder mehrzelliger Systeme. Um diese Leistungen zu vollbringen, benötigen Lebewesen Informationen, Materie und Energie. Obwohl für eine Betrachtung ökologischer Zusammenhänge die in Nukleinsäuren und Proteinen der einzelnen Organismen gespeicherte Information der Stoffwechselregulierung von großer Bedeutung ist, werden im folgenden die Probleme der biotischen Material- und Energieumwandlung im Mittelpunkt stehen. Sie spielen eine zentrale Rolle bei den entscheidenden ökologischen Prozessen.

In allen Lebewesen finden zahlreiche enzymatisch katalysierte biochemische Reaktionen statt, die in ihrer Gesamtheit den Stoffwechsel (Metabolismus) bilden. Organische Moleküle werden aufgebaut, umgewandelt und abgebaut. Das Resultat dieser Prozesse ist das Wachstum der Organismen. die Aufrechterhaltung der Lebensfunktionen und schließlich ihre Reproduktion. Für all diese Prozesse werden als Baustoffe organische Moleküle, demnach Verbindungen des Kohlenstoffs, und biochemisch nutzbare Energie benötigt.

In Abb. 1 ist ein Energie- und Baustoffkreislauf dargestellt, der die verschiedenen Umwandlungsprozesse verdeutlicht. Die grünen Pflanzen und einige spezialisierte Mikroorganisinen, die autrophen Produzenten bauen aus wenigen anorganischen Molekülen - (Wasser, Kohlendioxid und Salzen) - zahlreiche energiereiche organische Moleküle (z.B. Nucleinsäuren, Proteine, Kohlenhydrate und Fette) auf. Die hierfür benötigte Energie stammt von der Sonne. Deren Lichtenergie wird mit Hilfe der Photosynthese biochemisch nutzbar gemacht. Die wichtigste Reaktion ist die bekannte Synthese von Glucose:

Energie-_und_Stoffkreislauf
Abb. 1. Energie- und Stoffkreislauf

Wie die Bilanzgleichung zeigt, entsteht bei der Photosynthese auch Sauerstoff. Im Prinzip ist die Reaktion umkehrbar und stellt dann einen der wichtigsten energieliefernden Stoffwechselprozesse, die Atmung dar.  Auch autotrophe Pflanzen müssen sich z. B. nachts durch die Veratmung der tagsüber gebildeten Reservestoffe die notwendige Energie beschaffen.

Die Tiere benötigen organische Moleküle, die sie unter Sauerstoff-Verbrauch zur Energiegewinnung abbauen oder in körpereigene Baustoffe umwandeln. Sie sind heterotroph und werden als Konsumenten bezeichnet. Sie decken ihren Nahrungsbedarf, indem sie Pflanzen oder andere Tiere fressen. In jedem Fall sind sie letztlich auf die Produktion der autotrophen Organismen angewiesen.

Die Destruenten schließlich, heterotrophe Bakterien und Pilze, bauen die Ausscheidungsprodukte und die Biomasse aller Lebewesen, z. B. die toten Pflanzen und Tiere, ab.  Mit einer Vielzahl unterschiedlicher Stoffwechselprozesse und über zahlreiche Zwischenstufen werden die organischen Moleküle in die anorganischen Ausgangskomponenten Wasser, Kohlendioxid und Salze zurückverwandelt. Dabei gewinnen die Destruenten die für ihr Leben notwendige Energie und bauen zugleich Biomasse, nämlich ihre körpereigenen Moleküle und neue Zellen, auf.

Aquatische Lebensgemeinschaften

Die elementaren Prozesse der Energie- und Stoffumwandlung spielen sich selbstverständlich auch im limnischen Bereich ab. In mehr oder weniger eindeutig abgegrenzten Lebensräumen, den Biotopen (z. B. Flussabschnitte, Seen, Talsperren, Tümpel, Belebungsbecken) stellen sich bestimmte, charakteristische Lebensgemeinschaften, die Biozönosen ein. Je nach der Wasserqualität, den geographischen, physikalischen und klimatischen Gegebenheiten, befinden sich die Produzenten, die Konsumenten und die Destruenten wie auch die Konzentrationen der im Wasser vorhandenen Stoffe in bestimmten Gleichgewichtszuständen. Die Produzenten (phototrophe Bakterien, Blaualgen, Algen und höhere Wasserpflanzen) haben normalerweise Licht, Kohlendioxid und natürlich auch das Wasser in ausreichender Menge zur Verfügung. Ihr Wachstum wird vor allem durch die Konzentration der Stickstoff- und Phosphor-Verbindungen und der Spurenelemente beeinflusst. Das Vorkommen der Tiere hängt u. a. von einem ausreichenden Sauerstoff- und Nahrungsangebot und der chemischen Wasserbeschaffenheit ab, es richtet sich aber auch in starkem Maße nach der Morphologie des Ufers und des Gewässerbettes und den jeweiligen Strömungsverhältnissen. Heterotrophe Mikroorganismen kommen überall dort vor, wo abbaubares Material vorhanden ist. Sie zersetzen die organischen Stoffe und beeinflussen durch ihre ausgeprägten Stoffwechseltätigkeiten stark die Wasserqualität, z. B. die Konzentration des gelösten Sauerstoffs.

Tab 1 (aus Encyklopädie der technischen Chemie, Band 6, Verlag Chemie, Weinheim) gibt einen kurzen Überblick über die wichtigsten Gruppen von Lebewesen im Süßwasser und ihre ökologische Bedeutung. Um konkrete Vorstellungen über die Zusammensetzung typischer Biozönosen und bekannter ökologischer Zusammenhänge und Wechselwirkungen der Organismen untereinander, wie Konkurrenzverhalten, Räuber-Beute-Beziehungen, Parasitismus oder Kommensalismus, zu bekommen, muss auf die Fachliteratur verwiesen werden.

organismen oberflächenwasser

Belastung von Gewässern und Selbstreinigungsvermögen

Die Belastung eines Gewässers durch das Einleiten organischer oder anorganischer Stoffe oder durch die Erhöhung der Temperatur kann zu Konsequenzen führen, die unter zwei Aspekten betrachtet werden müssen. Zum einen wird der ökologische Zustand eines Biotops beeinflußt, zum andern kann die Nutzung des Gewässers durch den Menschen direkt oder wegen der ökologischen Veränderungen indirekt beeinträchtigt werden.

Die wichtigsten Nachteile, die der Mensch durch ein übermäßig belastetes Gewässer erfahren kann, seien nur kurz angeführt. In erster Linie sind Auswirkungen auf die Trink- und Brauchwasser-Gewinnung zu sehen, sie kann erschwert oder in Frage gestellt sein, wenn die Wasserqualität verschlechtert würde. Weiterhin kann die wirtschaftliche Nutzung des Gewässers (z. B. Fischerei, Schifffahrt) beeinträchtigt und der Freizeitwert (z. B. Erholung, Baden, Sportfischerei) herabgesetzt werden. Schließlich können die Anwohner durch Geruch belästigt oder hygienisch gefährdet werden.

Die ökologischen Konsequenzen einer Gewässerbelastung können darin bestehen, dass Tiere, Pflanzen und Mikroorganismen direkt getötet, geschädigt oder vertrieben werden. Von den Verschlechterungen der Lebensbedingungen können auch nur einzelne Arten direkt betroffen sein, ihr Verschwinden kann aber das gesamte Artenspektrum beeinflussen, sei es, weil sie ein wichtiges Glied in Nahrungsketten darstellen, sei es, weil sie die Ausbreitung anderer Arten kontrollieren. Auch die übermäßige Begünstigung einer oder mehrerer Arten kann zu einer Störung des biologischen Gleichgewichts führen, wie z. B. das exzessive Algenwachstum, das zu einer Eutrophierung führen kann.

Die Reaktion eines Ökosystems und die Einstellung eines neuen Gleichgewichtszustandes hängen von der Art und der Intensität sowie von der Dauer und der Häufigkeit der Belastung ab. Die Reaktion kann völlig ausbleiben, kurzfristig und reversibel sein oder sich in einer irreversiblen Manifestation extremer Biozönosen äußern.

Gewässerbelastung mit organischen Stoffen

Organische Stoffe können auf natürliche Weise durch die Exkretionen der am oder im Wasser lebenden Organismen, durch die Zersetzung toter Lebewesen, durch Einschwemmungen von Böden, durch Aufwirbelung von Sedimenten bei Hochwasser oder durch sonstige natürliche Einbringungen (z.B. Laubfall im Herbst) in ein Gewässer gelangen. Für eine übermäßige und schädliche Anreicherung organischer Stoffe kommt aber fast ausschließlich die anthropogene Einleitung von Abwässern in Frage. Daneben können auch noch Lagerunfälle sowie eine unsachgemäße Ausbringung von Dünge- und Pflanzenbehandlungsmitteln lokal zu einer Gewässerbelastung beitragen.

In sauerstoffreichen Zonen werden die abbaubaren organischen Stoffe vor allem von aeroben Bakterien, aber auch von Pilzen, zersetzt. Liegen sie gelöst vor, werden sie mit Hilfe aktiver Transportmechanismen direkt in die Zellen inkorporiert. Hochmolekulare, ungelöste Partikel werden zunächst durch Exoenzyme, die von den Mikroorganismen ausgeschieden werden, zerkleinert. In der Zelle werden die Moleküle in die verschiedenen Stoffwechselwege eingeschleust. Bakterien und Pilze können sich bei ausreichendem Nahrungsangebot und geeigneten Umweltbedingungen exponentiell vermehren. Dabei verbrauchen sie für die aeroben Abbauprozesse Sauerstoff, dessen Konzentration im Gewässer oft stark abnimmt. Vor allem bei höheren Temperaturen, die zum einen die Löslichkeit von Sauerstoff im Wasser vermindern, zum anderen die Intensität der biologischen Prozesse steigern, kann der Sauerstoff-Mangel beträchtliche Auswirkungen auf die Biozönosen haben.
In sauerstofffreien Zonen vermehren sich anaerobe Bakterien. Sie brauchen für ihren Metabolismus und zu ihrer Energiegewinnung keinen molekularen Sauerstoff. Durch ihre Aktivität werden z. B. beim Abbau von Kohlehydraten organische Säuren freigesetzt, beim Abbau von Proteinen entstehen giftige, übelriechende Fäulnisstoffe wie Indol, Skatol, Putrescin, Schwefelwasserstoff und Ammoniak, die andere Organismen schädigen können.
Die Biomasse die beim Abbau organischer Stoffe in einem Gewässer anfällt, sinkt zum Teil, zusammen mit größeren ungelösten Schmutzpartikeln, auf den Gewässergrund. Es entstehen Sedimente, in denen bei einer unzureichenden Sauerstoff-Versorgung die anschließenden Faulprozesse zu einer weiteren Verschlechterung der Gewässergüte beitragen.
Die Tätigkeit der heterotrophen Mikroorganismen stellt den ersten Schritt der Stoffelimination dar, nämlich die Umwandlung der oft in geringen Konzentrationen gelösten Stoffe in anorganische Endprodukte und in partikuläre Biomasse. Diese Bakterien und Pilze werden vor allem von Protozoen gefressen. Die Nahrungsketten setzen sich über Würmer, Kleinkrebse, Insekten, Weichtiere und Friedfische bis zu den Raubfischen fort (Abb. 2). Ein anderer wichtiger Prozeß der Selbstreinigung eines Gewässers ist die Elimination der mineralischen Nährstoffe z.B. der Stickstoff- und  Phosphor-Verbindungen, durch autotrophe Algen. Algen wiederum sind die wichtigste Nahrungsquelle für viele Tiere.
Beim Einleiten giftiger Abwässer oder Substanzen können Tiere, Pflanzen oder Mikroorganismen absterben. So können z. B. oberflächenaktive Verbindungen bei Fischen das Kiemenepithel schädigen und den Tod der Tiere verursachen. Als weitere Beispiele für akut wirkende organische Fischgifte seien Phenole genannt. Manche Substanzen können schon in geringen Konzentrationen chronische Vergiftungen in Wasserorganismen hervorrufen. Sind diese Verbindungen schwer abbaubar und lipophil, können sie von Organismen aufgenommen und über die Nahrungsketten weitergegeben und angereichert werden. Sie können beim Überschreiten kritischer Werte in den Lebewesen Vergiftungen, teratogene, mutagene oder cancerogene Wirkungen auslösen.

Beispie_einer_Nahrungskette

Abb. 2. Beispiel einer Nahrungskette

Neben den biologischen Prozessen und Wechselwirkungen tragen auch physikalische Vorgänge, wie Verdünnung, Ausflockung, Sedimentation, Adsorption, Strippen, und chemische Reaktionen, wie Hydrolyse, Neutralisation, Oxidation oder Reduktion, zu einer Abnahme der Konzentration an belastenden Substanzen bei. Die Gesamtheit dieser Vorgänge, das Selbstreinigungsvermögen eines Gewässers, hängt sowohl von der Art, Menge und Häufigkeit der Belastung als auch von der Größe und Gestalt des Gewässers ab. Klimatische Faktoren spielen eine Rolle, die Temperatur und die Sauerstoff-Versorgung sind ebenso von Bedeutung wie z. B. die Strömungsverhältnisse. Je nachdem, wie weit die Selbstreinigung fortgeschritten ist, werden sich typische Biozönosen einstellen. Die Zusammensetzung der Arten wird zur Beurteilung der biologischen Gewässergüte herangezogen. In der Natur finden diese wichtigen Selbstreinigungsprozesse in Gewässern ständig statt. In biologischen Kläranlagen werden dieselben Vorgänge in konzentrierter Form und unter kontrollierten Bedingungen zur Reinigung von Abwässern ausgenützt.

Die meisten natürlich vorkommenden organischen Verbindungen werden im Wasser, im Sediment oder im Boden biologisch abgebaut. Manche Verbindungen sind jedoch schwer abbaubar, so z.B. Cellulose, Chitin, Lignin, aliphatische oder aromatische Kohlenwasserstoffe. Für ihren Abbau müssen geeignete Umweltbedingungen oder spezialisierte Mikroorganismen vorhanden sein.  Selbst dann werden sie oft nur langsam oder unvollständig abgebaut. Bei der Humusbildung werden beispielsweise schwer abbaubare Komponenten angereichert.

Eine Reihe künstlich hergestellter Stoffe ist biologisch nicht abbaubar oder nur sehr schwer abbaubar (persistent), wie z. B. viele Kunststoffe, viele Farbstoffe, manche Schädlingsbekämpfungsmittel oder halogenierte Verbindungen. Sie reichern sich im Laufe der Zeit im Wasser, im Sediment oder in den Organismen an und verursachen dadurch unter Umständen Umweltprobleme. Allerdings viele von der chemischen Industrie produzierte Stoffe biologisch abbaubar.

 Belastung mit anorganischen Stoffen

Direkte Schäden an Organismen können durch eine, oft lokale, Verschiebung des pH-Wertes eines Gewässers hervorgerufen werden, z.B. durch die Einleitung von Säuren oder Laugen. Bei Fischen wird dadurch die Haut, besonders das Kiemenepithel, verätzt, die Fische sterben durch Ersticken und Kohlensäure-Akkumulation. Je nach Fischart liegt der tolerierte pH-Bereich etwa zwischen 5 und 9. Eine indirekte Schadwirkung einer pH-Werterhöhung ist die Verschiebung des Ammonium/Ammoniak-Gleichgewichts in Richtung des giftigen Ammoniaks.

Cyanide und Schwermetall-Ionen (z.B. aus Galvanikabwässern) können eine akute Schadwirkung auf Wasserorganismen ausüben. Das Selbstreinigungsvermögen eines Gewässers oder die Reinigungsleistung einer biologischen Kläranlage kann durch sie empfindlich gestört werden. Während Cyanid ein akutes Atmungsgift ist, können Schwermetalle sich in Lebewesen anreichern und über die Nahrungsketten bis zum Menschen weitergegeben werden und auf diese Weise in den Organismen chronische Schäden hervorrufen. Die meisten Schwermetall-Ionen adsorbieren gut an Belebtschlamm, können aber unter bestimmten Bedingungen, ebenso wie aus dem Sediment, remobilisiert werden. Auch freies Chlor übt auf Lebewesen eine starke, akut toxische Wirkung aus und kann eine Biozönose schädigen oder zerstören.

Neutralsalze mit den wichtigsten Ionen Natrium, Kalium, Magnesium, Caicium, Chlorid und Sulfat sind verhältnismäßig wenig toxisch. In höheren Konzentrationen können sie den Wasser- und Elektrolythaushalt des Körpers durch Beeinträchtigungen der Osmoregulation stören, vor allem starke Schwankungen der Salzkonzentration werden schlecht vertragen. Bei Fischen entstehen dadurch häufig Geschwüre, Entzündungen und Tumore, die den Tod zur Folge haben können. Viele Mikroorganismen können höhere Salzkonzentrationen tolerieren, es gibt sogar ausgesprochen halophile Bakterien, die nur in konzentrierten Salzlösungen vorkommen.

Eine wichtige Gruppe anorganischer Substanzen mit großer ökologischer Bedeutung sind die Stickstoff und Phosphor-Verbindungen, neben Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff ist es zum einen der Stickstoff, der beim Aufbau der biologischen Materie eine entscheidende Rolle spielt, so z. B. in den Aminosäuren, den Monoineren der Eiweißmoleküle und den Nucleinsäuren, die die genetische Schlüsselfunktion einnehmen. Zum anderen besitzt der Phosphor eine herausragende Funktion in den Nucleinsäuren und im Adenosintriphosphat (ATP), dem wichtigsten intrazellulären Energieüberträger. Stickstoff und Phosphor müssen in geeigneter Form und in ausreichender Menge allen Lebewesen angeboten werden. Eine biologisch ebenfalls wichtige, aber in diesem Zusammenhang untergeordnete Rolle spielen eine Reihe anderer Spurenelemente, wie Eisen, Magnesium. Schwefel oder Kobalt. Sie sind im allgemeinen in ausreichenden Mengen vorhanden und haben keine so deutlichen Einflüsse auf eine Biozönose wie Stickstoff und Phosphor.

Stickstoff kann in das Wasser in Form verschiedener Verbindungen gelangen, die vor allem durch mikrobielle Prozesse ineinander umgewandelt werden können, (Stickstoff-Kreislauf s. Abb.3). Organisch gebunden liegt Stickstoff in der Biomasse und den Exkretionen von Lebewesen vor und gelangt z. B. durch den mikrobiellen Eiweiß-Abbau in das Wasser. Das Endprodukt dieses Abbaus ist das Ammonium-Ion. Durch die mikrobielle Nitrifikation kann daraus Nitrit und schließlich Nitrat entstehen. Durch Denitrifikationsprozesse kann Nitrat zu elementarem Stickstoff reduziert werden. Eine untergeordnete Rolle spielt im Wasser die Fixierung von molekularem Stickstoff aus der Luft, die vor allem durch Blaualgen erfolgt. Verwertet wird Stickstoff von höheren Pflanzen und Algen im allgemeinen als Nitrat, aber auch als Ammonium-Ion. Tiere müssen Stickstoff in organisch gebundener Form aufnehmen.

Als Quellen für eine übermäßige Stickstoff-Belastung seien kommunale, landwirtschaftliche und industrielle

Stickstoffkreislauf_2
Abb. 3. Kreislauf des Stickstoffs,

Abwässer genannt. Auch die nicht sachgemäße Verwendung von Düngemitteln kann unter besonderen Bedingungen zu einer Belastung führen. Ein erhöhtes Stickstoff-Angebot liefert den Algen in manchen Fällen die Komponente, die ihnen für ein starkes Wachstum fehlte. So können sich, meist in stehenden Gewässern, vor allem einzellige Algen exponentiell vermehren und zu Algenblüten führen. Tagsüber zeichnen sich solche Seen, Tümpel und Talsperren, aber auch Flüsse, die z. B. durch Stauwehre langsam fließen, durch eine hohe Sauerstoff-Produktion und Sauerstoff-Übersättigung aus. Für die intensive Photosynthese wird viel Kohlendioxid benötigt, das dem Wasser entzogen wird. Dadurch kann es besonders in schwach gepufferten Gewässern zu einem starken pH-Anstieg kommen, dabei wird wieder giftiges Ammoniak aus Ammoniumsalzen freigesetzt. Nachts veratmen die Algen den Sauerstoff, dessen Konzentration dabei so stark absinken kann, dass die Algen und auch andere Organismen absterben. Die tote Biomasse, die besonders im Frühherbst anfällt, und die Ausscheidungsprodukte der Produzenten werden von Mikroorganismen entweder sofort abgebaut, was zu einer weiteren Absenkung der Sauerstoff-Konzentration führt, oder die partikuläre Biomasse sinkt auf den Gewässergrund und bildet anaerobe, faulende Sedimente.

Phosphor spielt in Gewässern als lösliches Ortho- oder Polyphosphat, als organisch gebundenes gelöstes Phosphat und in einer organisch partikulären Form, z. B. in den Organismen, eine Rolle. Er unterliegt ähnlichen Umwandlungsmechanismen wie Stickstoff oder Schwefel. Meist ist das Phosphat der eigentliche Minimumfaktor, der schon bei relativ niedriger Konzentration in Gewässern zu einer starken Algenproduktion führen kann. Als Quelle einer erhöhten Belastung durch Phosphat ist vor allem häusliches Abwasser zu sehen, in das es u.a. als Bestandteil von Wasch- und Reinigungsmitteln gelangt. Auch aus stark gedüngten Böden können über Korrosionsprozesse Phosphate in Gewässer geschwemmt werden.

Ein stehendes oder langsam fließendes Gewässer, das aber längere Zeit eine starke Nährstoffzufuhr zu verkraften hat, kann eutrophieren, d. h. sein Gütezustand kann sich kontinuierlich irreversibel verschlechtern.

Lernziel:

Die die Schüler/Studenten sollen die wesentlichen Symptome einer Eutrophierung erkennen und beschreiben können:

a) Erhöhung der Biomasse-Produktion des Phytoplanktons um oft über eine Zehnerpotenz (Algenblüte),
b) Verfärbung und Trübung des Wassers durch Planktonalgen, Beeinträchtigung des Bestandes an Unterwasserpflanzen,
c) Sauerstoff-Schwund im Tiefenwasser, dadurch Verschwinden von Bodentieren und Fischen, wie z.B. den Salmoniden, die zur Laichentwicklung kaltes und sauerstoffreiches Tiefenwasser brauchen,
d) Anreicherung des Tiefenwassers mit Schwefelwasserstoff, Kohlendioxid, gelöstem Eisen und Mangan,
e) Ablagerung und Faulung von Algenbiomassen im Bodensediment, dadurch starke Methan-Bildung und Rücklieferung von Stickstoff- und Phosphorverbindungen an den Wasserkörper,
f) Massenentwicklung von Bewuchsalgen und krautigen Wasserpflanzen im Uferbereich, Anschwemmung von Fadenalgen und Blaualgen am Strand und deren Faulung,
g) Fischsterben durch Sauerstoff-Schwund (besonders nachts) auch im Oberflächenwasser oder durch Ammoniak-Vergiftungen infolge der pH-Erhöhung bei starker Photosynthese,
h) starke Beeinträchtigung des Geruchs und des Geschmacks des Wassers durch Stoffe, die vor allem von Goldalgen, Kieselalgen oder Blaualgen gebildet werden.

Beträchtliche Mengen an Phosphat werden normalerweise von dreiwertigem Eisen als Eisen-(III)-phosphat gefällt oder an Eisenoxidhydrat adsorbiert. Wenn durch fortschreitende Eutrophierung anaerobe Zustände an der Sedimentoberfläche herrschen, wird das Eisen-(III)-Ion zur zweiwertigen löslichen Form reduziert. Eisen-(II)-phosphat ist leichter löslich, das adsorbierte Phosphat wird frei. Den Algen werden weitere Nährstoffe zur Verfügung gestellt, die Eutrophierung wird verstärkt.

Als auf längere Sicht einzig wirkungsvolle Maßnahme zur Verhinderung oder Eindämmung einer Eutrophierung kommt das Fernhalten der überhöhten Nährstoff-Angebote in Frage. Dies wird in erster Linie durch eine entsprechende Behandlung der Abwässer erreicht (z.B. biologische Stickstoff-Eliminierung, oder Phosphat-Fällung, in einer weitergehenden Reinigungsstufe, in manchen Fällen auch durch eine Behandlung der gesamten Zuläufe in die gefährdeten Gewässer (z.B. Phosphatfällung in Talsperren-Zuläufen). Andere Maßnahmen, wie z.B. die Bekämpfung des Phytoplanktons mit chemischen Mitteln oder die künstliche Belüftung des Tiefenwassers, können nur kurzfristige Verbesserungen hervorrufen, ohne aber das Problem Eutrophierung zu lösen. Ein weiteres erhebliches Problem ist die Nährstoffabspülung aus gedüngten Ackerflächen. Die nichtwendende Bodenbearbeitung mit Grubbern kann in gewissem Rahmen eine Verminderung des Nähstoffeintrages in Gewässer bedingen.

Physikalische Belastungen

Die wichtigste anthropogene physikalische Belastung mit deutlichem ökologischem Effekt ist die Wärmezufuhr, verursacht vor allem durch Einleiten von Kühlwässern aus der Industrie und aus Kraftwerken. Bei höherer Temperatur laufen alle biologischen Stoffwechselvorgänge rascher ab, der Stoffumsatz und der Sauerstoff-Verbrauch steigen, toxische Stoffe wirken intensiver. Gleichzeitig verringert sich die Sauerstoff-Löslichkeit des Wassers. Wegen der Temperaturerhöhung verschiebt sich auch das Artenspektrum der Biozönosen, da viele Organismen bestimmte Temperaturoptima bevorzugen. Vor allem bei Mikroorganismen kann man deutlich zwischen psychrophilen, mesophilen und thermophilen Arten und Artengemeinschaften unterscheiden. Ein bekanntes Beispiel für den Temperatureinfluß auf höhere Lebewesen ist das Vorkommen der Salmoniden (z. B. Forellen), die kaltes sauerstoffreiches Wasser benötigen.

Im weiteren Sinne stellen auch Flussbegradigungen, Schiffbarmachungen, Wehre und Staustufen eine mechanische und damit physikalische Beeinflussung eines Fließgewässers dar. Durch Änderungen der Strömungsverhältnisse, der Sauerstoff-Eintragsleistungen oder der Verweilzeiten des Wassers und der darin enthaltenen Stoffe in bestimmten Streckenabschnitten können sehr einschneidende Auswirkungen auf die Ökologie hervorgerufen werden. So weist der heutige Oberrhein allein durch die Begradigungen und Kanalisierungsmaßnahmen völlig andere Biozönosen auf als der ursprüngliche, mäanderförmig von Auwäldern umsäumte Fluss des vorigen Jahrhundert.

Belastung mit Krankheitserregern

Das Vorkommen von Krankheitserregern im Wasser ist in erster Linie im Hinblick auf die Nutzung eines Oberflächengewässers für die Trinkwasser-Gewinnung und als Bade- bzw.  Freizeitgewässer zu sehen. Pathogene Bakterien, wie Salmonellen (Typhus- und Paratyphus-Erreger) oder Cholera-Vibrionen, Pilze (z. B. Soorerreger), Protozoen (z.B. Erreger der Amöbenruhr), Viren (z.B. Polio- und Hepatitis-Erreger) oder Wurmeier (z.B. Spulwürmer) können mit häuslichen Abwässern, vor allem aber mit Abwässern aus Krankenhäusern oder Schlachthöfen in Gewässer gelangen. In normalen biologischen Kläranagen ist eine vollständige Elimination dieser Krankheitserreger nicht gewährleistet. Je nach örtlichen Gegebenheiten (z.B. Grad der Verdünnung im Entsorgungssystem) oder speziellen Situationen kann es notwendig sein, derartige belastete Abwässer einer Sonderbehandlung zu unterwerfen.

Abwässer, die mit pathogenen Keimen stark belastet sind, können durch Chlorung desinfiziert werden. Chlorgas wird entweder direkt eingeleitet oder es werden Chlor abspaltende Chemikalien, wie z.B. Natriumhypochlorit (Chlorbleichlauge), eingesetzt. Eine teilweise oder vollständige Sterilisation kann durch eine thermische Behandlung des Abwassers (Erhitzen mit Dampf oder im Autoklaven) erreicht werden.

Humanpathogene Bakterien, Pilze und Protozoen haben ihre Temperaturoptima bei 37 °C. Meist finden sie in Gewässern auch eine für sie ungünstige Nahrungssituation vor, so dass sie sich normalerweise nicht weiter vermehren, sie können jedoch lange Zeit in Gewässern oder in Organismen wie Muscheln ihre Infektiosität behalten. Typhus- und Cholera-Epidemien sind die bekanntesten Beispiele für die Gefahr, die aus kontaminierten Gewässern entstehen kann. Humanpathogene Bakterien infizieren höhere Wassertiere normalerweise nicht. Infektiöse Fischkrankheiten dagegen können sich in Gewässern weit ausbreiten. Ihre Auswirkungen werden durch den Gewässerzustand und die damit verbundene Streßsituation für die Tiere stark beeinflußt.

Humanpathogene Viren können sich im Wasser nicht vermehren, da sie, wie alle Viren, auf lebende Zellen angewiesen sind. Sie können aber in Gewässern lange Zeit ihre Infektiosität behalten. Durch den Genuss verunreinigten Wassers oder durch Baden in belasteten Gewässern kann es vor allem zu virösen Darmerkrankungen kommen.

Wurmeier werden in Absetzbecken von Kläranlagen mit etwa 2 h Verweilzeit abgeschieden. Die Gefahr einer starken Verbreitung in der Bevölkerung besteht vor allem dann, wenn kontaminierte Abwässer in der Landwirtschaft (z.B. im Salat- oder Gemüseanbau) eingesetzt werden.

Gewässeruntersuchungen

Chemische und physikalische Gewässeruntersuchungen können zwar wichtige Informationen über den momentanen Zustand eines Gewässers, über mögliche Verunreinigungen und ihre Ursachen sowie über stattgefundene Selbstreinigungseffekte liefern. Sie geben aber keine Auskunft über die biologische Gewässergüte und über die tatsächlichen ökologischen Konsequenzen einer Belastung. Andererseits müssen sie zur sinnvollen Interpretation und Ergänzung der biologischen Daten mit herangezogen werden.

Wichtige physikalisch-chemische Parameter zur Charakterisierung eines Gewässers sind die Temperatur, die Konzentration an gelöstem organischem Kohlenstoff (DOC) oder der chemische Sauerstoff-Bedarf (CSB) als Maß für die organische Belastung, die Sauerstoff-Konzentration oder das Sauerstoff-Defizit, die Ammonium-, Nitrat- und Phosphat-Konzentration, die Salzkonzentration bzw. die Härte oder die Leitfähigkeit und die Schwermetall-Konzentration.

Ausführungen und praktische Anleitungen zur Gewässermengenermittlung und zur Bestimmung von DOC, CSB und BSB5 können alspdf - Datei heruntergeladen werden:

Wie groß ist der Wasserdurchfluss                           Bestimmung BSB, CSB, TOC

 

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Wasser Teil 2