~2026-40612-1: /* Hintergrund: Phosphatrücklösung */

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Hintergrund: Phosphatrücklösung

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{{Begriffsklärungshinweis}}
[[Datei:Aquatic Dead Zones.jpg|mini|350px|Rote Kreise zeigen ''dead zones'' (2008). Äußere Einflüsse können dies wieder umkehren, das Gewässer lebt auf.]]

'''Umkippen''' ist eine plötzliche, katastrophale Zustandsveränderung eines [[Gewässer]]s durch Sauerstoffmangel. Auch [[Aquarium#Sauerstoffmangel|Aquarien können kippen]].<ref>[https://www.t-online.de/leben/familie/id_42525648/aquaristik-warum-so-viele-fische-im-becken-sterben.html ''Nicht tot füttern - Tipps für fidele Fische''.] In: ''t-online.de''. 5. April 2013, abgerufen am 13. Juli 2022.</ref>

Ein auffälliges Anzeichen ist das Absterben vieler Besiedler, z. B. [[Fischsterben]], und das einseitige Überhandnehmen anderer Besiedler, insbesondere [[Cyanobakterien|Blaualgen]] und andere Bakterien. In Abschnitten größerer Gewässer und Meeresbuchten können so [[Hypoxie (Ökologie)#Totzone|tote Zonen]] entstehen ({{enS|dead zones}}).

== Die Wirkungskette ==
[[Datei:La-Jolla-Red-Tide.780.jpg|mini|''Umkippen'' durch Algenverwesung während der [[Algenblüte]]; hier in [[La Jolla]], [[Kalifornien]]]]

Unmittelbarer Auslöser des Umkippens ist immer der drastische Abfall der Sauerstoffkonzentration im Wasser, oft auf Null ([[Anoxie]]), der allen [[Aerobie|aeroben]] Organismen die Lebensgrundlage entzieht. Ursache des Sauerstoffschwunds ist in der Regel eine zu hohe [[Biomasse]], insbesondere von einzelligen [[Algen]] ([[Phytoplankton]]) im freien Wasserkörper, deren natürlicher mikrobieller Abbau dem Wasser den Sauerstoff entzieht. Die Entstehung dieser zu hohen Algenbiomasse kann ein natürlicher Vorgang sein, wird aber häufig durch vom Menschen verstärkte Anreicherung des Wassers mit Nährstoffen erzeugt, welche für das Algenwachstum wesentlich sind, also [[Dünger|düngende]] Wirkung besitzen. Dieser Vorgang wird [[Eutrophierung]] genannt. Für das verstärkte Algenwachstum ist dabei derjenige Nährstoff wesentlich, der durch seine vorher geringe Konzentration das Wachstum im unbeeinflussten Gewässer am stärksten begrenzt hat ([[Minimumgesetz]]); dies ist in natürlichen Binnengewässern, von seltenen Ausnahmefällen abgesehen, fast immer [[Phosphat]]. Die Phosphatanreicherung ist dabei meist ein langsamer, kontinuierlich ablaufender Prozess, der sich zunächst nur in einem immer dichteren Wachstum der Schwebalgen (Phytoplankton) äußert. Zuletzt reicht ein geringfügiger Anstoß, z. B. besonders warmes Wetter, um eine [[Kettenreaktion]] in Gang zu setzen.

Umkippen eines Gewässers bedeutet nicht nur eine drastische irreversible Veränderung seines Zustands und seiner Lebensgemeinschaft, sie schränkt auch die Nutzbarkeit für den Menschen ein. Technische Maßnahmen, die den Zustand des Gewässers wieder in einen brauchbaren Zustand zurückführen sollen, werden als „Gewässersanierung“ bezeichnet. Wichtigstes Mittel einer solchen Sanierung muss immer sein, die Phosphatkonzentration im freien Wasserkörper dauerhaft zu vermindern. Diese Aufgabe ist in der Praxis oft sehr schwierig durchzuführen, da Gewässer [[komplexes System|komplexe Systeme]] mit zahlreichen internen [[Regelkreis]]en und Wechselwirkungen sind, vor allem mit den Wasserorganismen und dem am Gewässergrund abgelagerten Seen[[sediment]]. Daher hat eine Absenkung der Phosphateinträge nicht immer einen entsprechenden Abfall der Konzentration im Wasser zur Folge.

Dass ein Mangel an Sauerstoff in einem Gewässer auftritt, wird durch verschiedene Umstände begünstigt oder verhindert. Dem Mangel entgegen wirkt insbesondere die Nachlieferung von Luftsauerstoff in das Gewässer, der den dort verbrauchten Sauerstoff ersetzt (siehe auch ''[[Tiefenwasserbelüftung]]''). Zum Umkippen kommt es deshalb vor allem in stehenden Gewässern, also in Teichen, [[Ökosystem See|Seen]] oder kleineren [[Binnenmeer]]en sowie Teilen davon, beispielsweise der [[Ostsee]], da die Strömung in Fließgewässern durch Durchmischung dem Vorgang entgegenwirkt. Dagegen kommt es in sehr flachen stehenden Gewässern wegen deren großer Oberfläche selten zum Umkippen. Tiefe stehende Gewässer sind hingegen im Jahreslauf zeitweise geschichtet, also nicht völlig durchmischt, wodurch die Sauerstoffnachlieferung in die tiefen Wasserschichten unterbrochen ist. Der Vorgang in flachen Gewässern und Fließgewässern ist aber letztlich derselbe und kann auch hier, wenn auch seltener, zum Umkippen führen.

== Rolle des Phosphats ==
Wie oben dargestellt, beruht übermäßige [[Eutrophierung]] von stehenden Gewässern, die bis zum Umkippen führen kann, beinahe ausschließlich auf dem Einfluss eines einzigen Faktors, der Erhöhung des Phosphatgehalts. Erst diese Erkenntnis, die Ende der 1960er Jahre und gegen heftige Widerstände erzielt wurde, ermöglichte die Sanierung belasteter Seen. Der Erkenntnisfortschritt wurde anfangs durch Lobbyarbeit großer Waschmittelkonzerne verzögert, die auf Phosphatzugaben in ihren Produkten nur ungern verzichten wollten<ref name="Schindler">David W. Schindler: ''Recent advances in the understanding and management of eutrophication.'' In: ''[[Limnology and Oceanography]].'' 51, Nr. 1, 2006, S. 356–363.</ref>, da dies die Reinigungsleistung von Waschmitteln verbessert. Hier zeigen sich Parallelen zur heutigen Rolle von Ölkonzernen bei der Unterstützung von [[Klimawandelleugnung|Klimawandelleugnern]]<ref>Paul C. Stern, John H. Perkins, Richard E. Sparks, Robert A. Knox (2016): ''The challenge of climate change neoskepticism.'' In: ''Science'' 353 (6300): S. 653–654. [[doi:10.1126/science.aaf6675]]</ref>. Überraschend ist der geringe Beitrag von [[Stickstoff]]verbindungen, die an Eutrophierungsvorgängen in terrestrischen Ökosystemen und in Meeresküstengewässern ([[Ästuar]]en) wesentlich mitbeteiligt oder sogar entscheidend sind. Dass Stickstoff[[überdüngung]] in Binnengewässern, von wenigen Spezialfällen abgesehen, praktisch keine Rolle spielt, wurde durch Manipulationsexperimente mit ganzen Seen nachgewiesen.<ref>D. W. Schindler: ''Evolution of Phosphorus Limitation in Lakes.'' In: ''Science.'' 195, Nr. 4275, 1977, S. 260–262, {{DOI|10.1126/science.195.4275.260}}.</ref><ref>David W. Schindler, R. E. Hecky, D. L. Findlay, M. P. Stainton, B. R. Parker, M. J. Paterson, K. G. Beaty, M. Lyng, S. E. M. Kasian: ''Eutrophication of lakes cannot be controlled by reducing nitrogen input: Results of a 37-year whole-ecosystem experiment.'' In: ''Proceedings of the National Academy of Sciences.'' 105, Nr. 32, 2008, S. 11254–11258, {{DOI|10.1073/pnas.0805108105}}, PMID 18667696.</ref>

Der Phosphatgehalt im Seewasser ergibt sich im Wesentlichen als einfache Funktion seiner Zufuhr aus dem Einzugsgebiet, er wird von Faktoren wie dem Volumen des Sees, dem Verhältnis von dessen Oberfläche zu seiner Tiefe, dem Verhältnis zwischen Seewasservolumen und Zu- und Abflüssen (Verweildauer) und der [[Alkalinität]] des Seewassers beeinflusst, so dass einige Seen bei gleicher Phosphatzufuhr resistenter gegen Umkippen sind als andere. Bei der [[Mathematisches Modell|Modellierung]] der Zusammenhänge stammen die wesentlichen Beiträge vom ''Program on Lake Eutrophication'' der [[OECD]]<ref>[http://www.chebucto.ns.ca/ccn/info/Science/SWCS/TPMODELS/OECD/oecd.html Eutrophication of Waters (OECD) Monitoring, Assessment and Control]</ref> unter Leitung von Richard A. Vollenweider,<ref>Richard A. Vollenweider: ''Input-output models.'' In: ''Schweizerische Zeitschrift für Hydrologie.'' 37, Nr. 1, 1975, S. 53–84, {{DOI|10.1007/BF02505178}}.</ref> die Modelle werden deshalb meist „OECD-Modelle“ oder „Vollenweider-Modelle“ genannt. Der vom Menschen erzeugte Phosphateintrag in den See wird als „Phosphatlast“ bezeichnet. Erhöhung der Phosphatlast verschiebt das Gewässer in vorhersagbarer Weise mehr oder weniger kontinuierlich vom [[Trophiesystem#Oligotrophie|oligotrophen]] über den [[Trophiesystem#Mesotrophie|mesotrophen]] zum [[Trophiesystem#Eutrophie|eutrophen]] Zustand, ist die Phosphatlast bekannt, ist damit das weitere Schicksal des Sees vorhersagbar, auch wenn die Veränderung noch nicht eingetreten ist. Verschiebung der Phosphatzufuhr über den Schwellenwert zum eutrophen Zustand, als „kritische Last“ (oder engl. {{lang|en|critical load}}) bezeichnet, führt deshalb vorhersagbar zur Zustandsverschlechterung, letztlich zum Umkippen.

Der Phosphateintrag in Gewässer aus deren [[Einzugsgebiet]] (heute nur noch selten aus direkten Einleitungen in einen See) geht in den Industrieländern etwa zur Hälfte auf sogenannte Punktquellen und zur anderen Hälfte auf sogenannte diffuse Quellen zurück. Punktquellen sind Abwassereinleitungen oder Abflüsse von Kläranlagen, die mit Phosphat aus [[Fäkalien]], aus industriellen Abwässern und aus Wasch- und Reinigungsmitteln belastet sind. Dabei wurde der Gehalt an [[Polyphosphate]]n in Waschmitteln zur Gewässerschonung stark vermindert, bisher aber nicht in Spülmaschinenmitteln.<ref>Brigitte Osterath: ''Phosphatfrei waschen – phosphatbepackt spülen.'' In: ''Nachrichten aus der Chemie.'' 59, Nr. 9, 2011, S. 828–830, {{DOI|10.1002/nadc.201190015}}.</ref> Diffuse Einträge stammen im Wesentlichen aus landwirtschaftlichem Dünger, der durch direkten Abfluss mit dem Regenwasser oder durch [[Bodenerosion]] ins Gewässer gelangt. Auch der natürliche Phosphateintrag erfolgt diffus, er macht aber heute meist nur wenige Prozent des Gesamteintrags aus.

Werden die Phosphateinträge in ein Gewässer später wieder vermindert, tritt nur selten unmittelbar der frühere Zustand wieder ein.<ref>Erik Jeppesen u. a.: ''Lake responses to reduced nutrient loading – an analysis of contemporary long-term data from 35 case studies.'' In: ''Freshwater Biology.'' 50, Nr. 10, 2005, S. 1747–1771, {{DOI|10.1111/j.1365-2427.2005.01415.x}}.</ref> Diese [[Hysterese]] ist vor allem darauf zurückzuführen, dass ein großer Teil des Phosphats irgendwann am Gewässergrund im Seensediment festgelegt wird und daraus später wieder remobilisiert werden kann, so dass der Phosphatgehalt im freien Wasser zunächst kaum absinkt. Dieser Faktor wird als „interne Last“ (engl. ''internal load'') bezeichnet. Zwar wird im Gleichgewichtsfall immer mehr Phosphat im Sediment abgelagert als von dort mobilisiert wird. Wird aber der Zustrom vermindert, sind Wasser und Sediment nicht mehr im Gleichgewicht. Die Erholung wird dadurch verzögert.

== Hintergrund: Phosphatrücklösung ==
Der einfache Zusammenhang zwischen dem Phosphatgehalt in den Zuläufen und der Konzentration im Wasserkörper eines Gewässers wird durch die Rolle der Seensedimente verkompliziert. Ein Teil des zugeführten Phosphats wird in den Sedimenten gebunden. Später kann, je nach den Bedingungen am Seengrund, ein mehr oder weniger großer Teil dieses gebundenen Anteils rückgelöst werden. Diese Rücklösung kann lange, unter Umständen Jahrzehnte, nachwirken, wenn die externen Zuflüsse bereits wieder vermindert worden sind.<ref>Martin Sondergaard, Peder Jens Jensen, Erik Jeppesen: ''Retention and Internal Loading of Phosphorus in Shallow, Eutrophic Lakes.'' In: ''The Scientific World Journal.'' 1, 2001, S. 427–442, {{DOI|10.1100/tsw.2001.72}}, PMID 12806078.</ref> Durch Aufnahme des Phosphors in lebende Organismen, Sedimentation von Biomasse am Gewässergrund und Rücklösung aus dem Sediment bildet sich zudem ein interner [[Stoffkreislauf|Nährstoffzyklus]] aus, durch den der Zustand des Gewässers sehr lange nachwirkend, möglicherweise in einigen Fällen sogar irreversibel, verschlechtert ist. Viele Forscher gehen dabei von zwei [[Metastabilität|metastabilen]] Zuständen aus, die je nach Phosphatgehalt „kippen“ können,<ref>S. R. Carpenter, D. Ludwig, W. A. Brock: ''Management of eutrophication for lakes subject to potentially irreversible change.'' In: ''Ecological Applications.'' 9, Nr. 3, 1999, S. 751–771, {{DOI|10.1890/1051-0761(1999)009[0751:MOEFLS]2.0.CO;2}}.</ref> so dass das Gewässer den neuen Zustand, der dann zum neuen Gleichgewichtszustand würde, ohne drastische Eingriffe von außen kaum jemals wieder verlassen könnte. In diesem Falle wäre das Umkippen des Gewässers und das Umkippen zwischen diesen beiden Zuständen des Sediments mehr oder weniger dasselbe. Andere Forscher gehen von eher graduellen Übergängen zwischen den Zuständen aus.<ref name="Hupfer">Michael Hupfer, Jörg Lewandowski: ''Oxygen Controls the Phosphorus Release from Lake Sediments – a Long-Lasting Paradigm in Limnology.'' In: ''International Review of Hydrobiology.'' 93, Nr. 4–5, 2008, S. 415–432, {{DOI|10.1002/iroh.200711054}}.</ref><ref>René Gächter, Bernhard Wehrli: ''Ten Years of Artificial Mixing and Oxygenation: No Effect on the Internal Phosphorus Loading of Two Eutrophic Lakes.'' In: ''Environmental Science & Technology.'' 32, Nr. 23, 1998, S. 3659–3665, {{DOI|10.1021/es980418l}}.</ref>

=== Bedingungen am Gewässergrund eutropher Seen ===
In Seen bildet sich im Sommer und meist auch im Winter eine [[Temperaturschichtung|temperaturbedingte Dichteschichtung]] mit dazwischen liegenden [[Wasserzirkulation|Vollzirkulationen]] im Herbst und im Frühjahr aus. Dadurch kommt es zu einer klaren Trennung von Primärproduktion und dem Abbau von Biomasse. Der Aufbau von Biomasse unter Bindung der anorganischen Nährstoffe und unter Erzeugung von Sauerstoff findet in den [[Trophogene Zone|lichtreichen Schichten]] nahe der Oberfläche, also im [[Epilimnion]] und oft auch im oberen [[Metalimnion]] statt. Dagegen ist die Remineralisation der abgesunkenen Überreste von Biomasse über dem [[Benthal|Boden]] des Sees, je nach Seetiefe im [[Hypolimnion]] oder unteren Metalimnion konzentriert. Dort wird Sauerstoff verbraucht und die [[anorganisch]]en Nährstoffe wieder freigesetzt. Das Wasser des Epilimnions wird durch Wind und Konvektion täglich durchmischt. Dabei wird der Sauerstoffgehalt dem Gleichgewicht mit der Luft angeglichen. Auch findet hier wegen des Lichtangebotes der größte Teil der Sauerstoff produzierenden [[Photosynthese]] statt. Das Wasser im Metalimnion und Hypolimnion erhält von außen keinen Sauerstoff. Vielmehr sinkt das abgestorbene [[Phytoplankton|Phyto-]] und [[Plankton|Zooplankton]] sowie deren Kot von oben herab. Beim biologischen Abbau ihrer Substanz wird so viel Sauerstoff verbraucht, wie bei der Entstehung ihrer Biomasse durch Photosynthese im Epilimnion entstanden war. Dadurch wird am Boden eines eutrophen Sees oft der gesamte Sauerstoff verbraucht, das Sediment selbst, oft auch das darüber geschichtete Wasser, wird sauerstofffrei. Auch in Flachseen und Kleingewässern, in denen sich keine thermische Schichtung ausbildet und das Licht den Boden des Gewässers erreichen kann, ist oft zumindest das Sediment selbst durch Biomasse-Abbau anaerob.

=== Speicherung und Freisetzung des Phosphats ===
Phosphat kann am Seengrund im Sediment gespeichert werden. Dieser Speicher ist teilweise permanent, teilweise je nach äußeren Bedingungen reversibel, so dass das Phosphat später wieder freigesetzt werden kann. Gesteuert wird diese Freisetzung vor allem über die [[Alkalinität]] und das [[Redoxpotential]] am Gewässergrund.

In kalkreichen, stark basischen Gewässern kann ein Teil des Phosphors als Calciumphosphat, als Mineralphase [[Hydroxylapatit]] genannt, ausfällen. Bedeutender ist die teilweise Einlagerung in ausgefälltes Calciumkarbonat („[[Seekreide]]“), als Mineral [[Calcit]] genannt. In stark sauren Seen kann ein Teil des Phosphats mit freien Aluminium-Ionen als Aluminiumphosphat ausfällen oder mit [[Aluminiumhydroxid]] Al(OH)<sub>3</sub> mitgefällt werden.<ref>Jiřı́ Kopáček, Kai-Uwe Ulrich, Josef Hejzlar, Jakub Borovec, Evžen Stuchlı́k: ''Natural inactivation of phosphorus by aluminum in atmospherically acidified water bodies.'' In: ''Water Research.'' 35, Nr. 16, 2001, S. 3783–3790, {{DOI|10.1016/S0043-1354(01)00112-9}}.</ref> Beide Prozesse spielen aber in den meisten Gewässern keine große Rolle, da sie nur in sehr harten bzw. stark versauerten Gewässern ablaufen.

Bedeutsamer ist die Ausfällung des Phosphats mit Eisenionen. Dabei wird das Phosphat effektiv nur von oxidiertem, dreiwertigem Eisen festgelegt. Beträgt die Masse des dreiwertigen Eisens an der Sedimentoberfläche das fünfzehnfache der Masse des Phosphors, wird das Phosphat sehr effektiv aus dem freien Wasser entfernt.<ref>H. S. Jensen, P. Kristensen, E. Jeppesen, A. Skytthe: ''Iron:phosphorus ratio in surface sediment as an indicator of phosphate release from aerobic sediments in shallow lakes.'' In: ''Hydrobiologia.'' 235–236, Nr. 1, 1992, S. 731–743, {{DOI|10.1007/BF00026261}}.</ref> Dieser Mechanismus wird als „[[Phosphatfalle]]“ bezeichnet. Das Phosphat wird dabei vor allem an amorphes [[Eisen(III)-oxidhydroxid]] (FeO(OH)) gebunden, nur unter besonderen Bedingungen als definiertes Eisenphosphat gefällt.

Unter stärker anaeroben Bedingungen wird im Sediment das dort vorhandene dreiwertige [[Eisen]] zu zweiwertigem reduziert:

:<math>\mathrm{Fe}^{3+}\longrightarrow \mathrm{Fe}^{2+}</math>

Da die Verbindungen des zweiwertigen Eisens viel stärker löslich sind, werden dadurch unter reduzierenden Bedingungen die Eisenoxide aufgelöst und das daran gebundene Phosphat wieder freigesetzt. Bei Sauerstoffmangel bleibt deshalb das Phosphat im Wasser gelöst und wird mit der nächsten [[Zirkulation (Hydrologie)|Zirkulation]] wieder düngewirksam über den ganzen See verteilt. Diese Reaktion wird allerdings durch weitere Ionen im Seenwasser stark beeinflusst. Ist der [[Nitrat]]-Gehalt des Wassers hoch, kann nach Verbrauch des freien Sauerstoffs durch [[Nitratatmung]] das Redoxpotential hoch gehalten werden. Hohe [[Sulfat]]gehalte werden hingegen durch bakterielle [[Desulfurikation]] zu [[Sulfid]] reduziert, die mit dem zweiwertigen Eisen als Eisensulfid (als kristalline Mineralphase [[Pyrit]] genannt) ausgefällt werden, wodurch das Eisen dauerhaft aus dem freien Wasser entfernt werden kann. Hohe pH-Werte mit Seekreidefällung vermindern die Wirkung der Phosphatfalle, weil ein Teil des Phosphats von Hydroxid-Ionen verdrängt werden kann.<ref name="Hupfer" /> Die tatsächliche P-Freisetzung vorherzusagen, ist deshalb äußerst schwierig.

== Rolle von Makrophyten in Flachseen ==
In Flachseen und Weihern, in denen ein großer Teil des Gewässergrunds in der belichteten Zone liegt, kann es anstelle der Massenvermehrung von Algen zu einem verstärkten Wachstum von „höheren“ Wasserpflanzen kommen. Dazu zählen Röhrichtarten und untergetaucht (oder submers) lebende Gefäßpflanzen, aber auch am Boden (benthisch) wachsende, größere Algen wie z. B. die [[Armleuchteralgen]]. Die Streu und die Rückstände der [[Makrophyten]] sind biologisch schwerer abbaubar als planktonische Algen, deshalb ist ein von Makrophyten dominiertes Gewässer stabiler gegenüber Umkippen. Der makrophytenreiche Zustand könnte ein alternativer (meta-)stabiler Zustand bei gleichem Nährstoffgehalt sein.<ref name="Schindler" /> Schlüsselfaktor für den Übergang zwischen plankton-dominierten und makrophyten-dominierten Zuständen scheint der Fraßdruck des [[Zooplankton]] auf die einzelligen Algen zu sein, wobei der Zooplanktonbestand von Fischen reguliert wird („[[trophische Kaskade]]“).

Versuche, das Umkippen eutrophierter Seen durch Förderung der Makrophyten zu verhindern, werden als „[[Biomanipulation]]“ zusammengefasst.

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Gewässerökologie]]
[[Kategorie:Limnologie]]

Umkippen - Versionsgeschichte

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