Hintergrundinformation

Sowohl Stickstoff als auch Phosphor gelangen aus Abwasser und insb. aus der Düngung in der Landwirtschaft in unnatürlich hohen Mengen in viele Gewässer. Für Massenentwicklungen von Cyanobakterien ist in Deutschland meist Phosphor der entscheidende Nährstoff, zumal einige Cyanobakterien Stickstoff aus der Luft fixieren und somit geringe Konzentrationen kompensieren können, sofern genug Phosphor vorhanden ist.

Quellen und Pfade für Nährstoffbelastungen können zwischen “Punktquellen” und “diffusen Quellen” unterschieden werden, d.h. zwischen Frachten aus einzelnen, punktuell auftretenden Einleitungen, wie z.B. von Klärwerken, einerseits und Ablauf aus der Fläche z.B. von gedüngten Feldern andererseits. Nährstofffrachten aus Punktquellen sind i.d.R. deutlich einfacher zu erfassen: Häufig liegen die dafür nötigen Daten – d.h. Wassermengen des Zulaufs und Nährstoffkonzentrationen – bei den Anlagenbetreibern, im Zuge der Umsetzung von Auflagen bei der Genehmigung der Einleitungen, bereits vor. Bei Klärwerken ist die Nährstoffkonzentration stark von der jeweiligen Aufbereitungstechnik abhängig: biologische Eliminationsverfahren oder Simultanfällung reduzieren die Phosphorfrachten auf etwa ein Zehntel; nachgeschaltete Filtrationsverfahren können eine Reduktion um einen weiteren Faktor 10 erreichen.

Aus der Fläche gelangt Phosphor vorwiegend partikelgebunden über Erosion und Abschwemmung von Partikeln in die Gewässer, Stickstoff dagegen in gelöster Form mit Sickerwasser. Die Quantifizierung von diffusen Einträgen aus der Fläche erfordert Modellrechnungen (z.B. Moneris) in Abhängigkeit u.a. von Hangneigung, Bodenarten, Bodenbedeckung, Ausbringungsmengen, Niederschlagsmustern und Muster der Ausbringung von Dünger und Gülle. Aber auch ohne eine solche (semi-)quantitative Schätzung können wahrscheinliche Haupteintragspfade oft schon im Zuge einer Begehung erkannt werden.

Die kritische TP-Fracht oder Last \(L_{krit}\) , die insgesamt für ein Gewässer akzeptiert werden kann, ohne dass die Phosphorkonzentrationen im Gewässer über den Zielwert \(TP_{Ziel}\) hinausgehen, hängt in erster Linie von dessen Wasseraufenthaltszeit bzw. Wasseraustauschrate \(\rho\) und seiner mittleren Tiefe \(z_m\) ab:
\[
L_{krit} = TP_{Ziel} \cdot z_m \cdot (\rho + \rho^{0,5})
\]
(Vollenweider 1976, modifiziert durch Cooke et al. 2006). Zum Beispiel ist bei einer Zielkonzentration von TP = 25 µg/L (= 25 mg/m³), einer mittleren Tiefe von 10 m und einer Wasseraustauschrate von 4 mal pro Jahr die kritische Last an TP:
\[
L_{krit} = 25 \cdot 10 \cdot (4+4^{0,5}) = 2412 \frac{mg}{m^2 \cdot \text{Jahr}}
\]
Dabei spielt die Sedimentationsrate von Phosphor eine Rolle, die mit dem statistischen Mittel von \(\rho^{0,5}\) abgebildet ist. Für Gewässer, deren Sedimente eher als Quelle denn als Senke für Phosphat fungieren, wird die o.g. Gleichung die kritische Phosphorlast überschätzen; umgekehrt kann sie auch zu einer Unterschätzung führen.

Die maximal mögliche Phytoplankton-Biomasse – und damit die Biomasse von Cyanobakterien – hängt direkt von den zur Verfügung stehenden Nährstoffen oder genauer vom jeweils limitierenden Nährstoff ab. In Nordeuropa ist in aller Regel Phosphor der limitierende Nährstoff.

Die TP Zielkonzentration, um Cyanobakterienbiomassen gering zu halten, liegt je nach weiteren Gewässereigenschaften bei 10-25 µg/L. In tiefen geschichteten Gewässern liegen Schwellenwerte für ein weitgehendes Vermeiden der Cyanobakterien eher im TP-Bereich von 10 µg/L, jedoch kann auch hier ggf. Planktothrix rubescens weiterhin im Metalimnion auftreten, wo die TP-Konzentrationen meist höher liegen. Auch können sich in großen tiefen Gewässern trotz insgesamt niedriger Cyanobakteriendichten sichtbare Schlieren oder lokal auch „Blüten“ an der Oberfläche bilden, wenn sich aus dem großen Wasservolumen aufrahmende Cyanobakterien wie Microcystis oder Anabaena an der Oberfläche ansammeln.

Bei 25-50 µg/L TP treten Cyanobakterien in höherer Intensität und Häufigkeit auf; bei >50-90 µg/L ist die Wahrscheinlichkeit von Massenentwicklungen deutlich erhöht, insb. während der Sommermonate.

Als grobe Orientierung zur Abschätzung der maximal möglichen Cyanotoxinkonzentration aus den TP-Konzentrationen gilt, dass im Gewässer pro µg TP maximal rund 1-2 µg Chlorophyll-a und rund 0,5 – 1 mm³ Phytoplankton-Biovolumen zu erwarten sind. Wenn diese Biomasse weitgehend aus Microcystin produzierenden Cyanobakterien besteht, kann die Microcystinkonzentration ebenfalls 1-2 µg/L, im Extremfall bis zu 5 µg/L betragen. Oftmals wurden infolge ausgeprägter Reduktionen der TP-Konzentration auf < 50 µg/L auch Artverschiebungen zu Ungunsten der Cyanobakterien beobachtet; der Phosphor bildet dann eher Biomasse planktischer Algen und Kleintiere. Daher werden 1:1-Relationen zwischen Microcystin und TP in weniger eutrophen Gewässern selten beobachtet.

Manche Gewässer zeigen sehr regelmäßige jahreszeitliche Muster des Artenvorkommens und der Biomasse; andere sind in hohem Maße variabel. Bei guter Kenntnis des Gewässers auf der Grundlage mehrjähriger Beobachtungen ist das jahreszeitliche Auftreten von Cyanobakterien oftmals absehbar. Variabilität entsteht insbesondere durch Schwankungen der physikalischen Bedingungen wie Durchmischungstiefe und –intensität infolge unterschiedlicher Witterungsbedingungen und ist daher in Flachseen oder in Talsperren mit variabler Mengenbewirtschaftung viel ausgeprägter als in tiefen, stabil geschichteten Gewässern. Da die Variabilität der physikalischen Bedingungen oftmals kaum beherrschbar ist, betont dieses Entscheidungsunterstützungssystem die Beherrschung über die Phosphorkonzentration.

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Wasseraufenthaltszeit bzw. Fließgeschwindigkeit
Cyanobakterien treten kaum in Fließgewässern mit mäßiger bis rascher Fließgeschwindigkeit auf, während es beim Einstau (Wasseraufenthaltszeit > 30 d) solcher Gewässer oft sehr rasch zu Massenentwicklungen kommt, sofern ihre Nährstoffkonzentration erhöht ist. Auch in Flüssen mit längeren Abschnitten geringer Strömung (z.B. Flussseen mit einer Wasseraufenthaltszeit von 3-30 d) können die hydrophysikalischen Verhältnisse lange genug stabil sein, um günstige Bedingungen für Cyanobakterien zu schaffen, die oft in stark durchmischten Gewässer vorkommen wie z.B. Planktothrix agardhii. Je nach Nährstoffgehalten und weiteren Gewässerbedingungen kann es auch hier ggf. zu hohen Biomassen kommen. Extrem hohe Biomassen wie bei aufrahmenden Arten (z.B.Microcystis) sind jedoch eher unwahrscheinlich.

Trübung/Sichttiefe
Eine ausgeprägte grünliche Trübung mit Sichttiefen < 0,5 m ist typisch für Gewässer mit Massenentwicklungen an Cyanobakterien, da deren hohe Biomasse diese Trübung verursacht. Gleichzeitig kann die hohe Trübung auch deren Dominanz stabilisieren, da viele Cyanobakterienarten sich bei wenig Licht rascher vermehren können als viele Planktonalgen.
Auch bei Sichttiefen zwischen 0,5 und 2 m ist im Sommer zeitweilig ein hoher Anteil an Cyanobakterien wahrscheinlich, wenn eine hohe Phytoplanktondichte (und nicht mineralische Trübung) die Ursache der geringen Sichttiefe ist. Hohe Biomassen und Toxinkonzentrationen sind dann möglich.
Bei Sichttiefen > 2 m sind hohe Zelldichten an Cyanobakterien eher unwahrscheinlich. Jedoch können in tieferen Gewässern auch dann gelegentlich “Blüten” an der Oberfläche beobachtet werden, wenn sich aus dem gesamten Wasservolumen geringe Mengen an aufrahmenden Arten wie Microcystis oder Anabaena zu deutlichen, wenn auch lokal und zeitlich begrenzten, Ansammlungen rekrutieren. Dies ist bei flachen, durchmischten Gewässern nicht zu beobachten.

Thermische Schichtung
In stehenden Gewässern hat die thermische Schichtung einen wesentlichen Einfluss auf das Wachstum von Cyanobakterien.
In geschichteten Gewässern können Kolonien-bildendende Cyanobakterien wie Microcystis, Aphanizomenon und Anabaena durch ihre Gasvakuolen bei ruhigen Wetterlagen an der Oberfläche aufrahmen, werden ggf. ans Ufer getrieben und können dort sehr viel Biomasse akkumulieren. Diese Cyanobakterien kommen zwar auch in durchmischten Gewässern vor, jedoch können sie bei Stagnation des Wasserkörpers ihren Lichtbedarf durch die Auftriebsregulierung optimal decken. Diesen Konkurrenzvorteil der Auftriebsregulierung kann Durchmischung (auch künstlich erzeugte) zunichtemachen.
Ein charakteristisches Cyanobakterium tiefer, stabil geschichteter und nur mäßig nährstoffreicher Gewässer ist Planktothrix rubescens, die während der Sommermonate vor allem im Metalimnion vorkommt und erst bei der Durchmischung der Gewässer im Herbst in andere Gewässerschichten verteilt wird. Dann kann es unter nährstoffreichen Bedingungen auch zu Oberflächenblüten kommen.
Aufgrund der Toleranz der meisten Cyanobakterienarten für geringe Lichtintensitäten überleben sie auch stärkere Durchmischung eines Gewässers gut. Manche Arten (z.B. Planktothrix agardhii) kommen bevorzugt in relativ flachen (d.h. wenige Meter tiefen), meist durchmischten Seen und langsam fließenden Flachland-Flüssen vor. Anreicherung von Zellen und somit sehr hohe Biomassen und Toxinkonzentrationen wie bei aufrahmenden Arten (z.B. Microcystis) sind nicht zu erwarten. Durchmischung kann aber auch andere Phytoplankter (insb. Kieselalgen) bevorzugen, die sich gegen Cyanobakterien durchsetzen.

Temperatur
Für die meisten in Mitteleuropa vorkommenden Cyanobakterien liegt die Temperatur für maximales Wachstum zwischen 20 – 30°C mit einer deutlichen Variabilität zwischen aber auch innerhalb von Arten. Eine erhöhte Wassertemperatur wird – auch im Zusammenhang mit dem Klimawandel – als begünstigender Faktor für Massenentwicklungen an Cyanobakterien diskutiert. Diese Wirkung ist ggf. vorwiegend indirekt – indem höhere Temperaturen zu einer stabileren thermischen Schichtung führen, begünstigen sie manche Cyanobakterienarten. Grundvoraussetzung für Massenentwicklungen ist jedoch immer eine ausreichend hohe Nährstoffkonzentration.

pH-Wert
Das Wachstum von Cyanobakterien wird oft in Zusammenhang mit hohen pH-Werten (bis 10) gebracht. Dies ist jedoch in der Regel die Folge und nicht der Grund des verstärkten Wachstums von Cyanobakterien, da durch die bei hoher Biomasse vermehrte Aufnahme von Hydrogencarbonat aus dem Wasser der pH-Wert steigt. Bei pH-Werten zwischen 5 und 7 können Cyanobakterien vorkommen; hohe, für ein Cyanotoxinrisiko relevante Mengen sind in diesem pH-Bereich aber unwahrscheinlich. Bei pH-Werten < 5 wurden größere Mengen an Cyanobakterien bislang nur sehr selten beobachtet.