Umkippen

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 Gewässers durch Sauerstoffmangel. Auch Aquarien können kippen.Nicht tot füttern - Tipps für fidele Fische. In: t-online.de. 5. April 2013, abgerufen am 13. Juli 2022.

Ein auffälliges Anzeichen ist das Absterben vieler Besiedler, z. B. Fischsterben, und das einseitige Überhandnehmen anderer Besiedler, insbesondere Blaualgen und andere Bakterien. In Abschnitten größerer Gewässer und Meeresbuchten können so tote Zonen entstehen ().

Die Wirkungskette 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 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 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 komplexe Systeme mit zahlreichen internen Regelkreisen und Wechselwirkungen sind, vor allem mit den Wasserorganismen und dem am Gewässergrund abgelagerten Seensediment. 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, Seen oder kleineren Binnenmeeren 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 wolltenDavid W. Schindler: Recent advances in the understanding and management of eutrophication. In: Limnology and Oceanography. 51, Nr. 1, 2006, S. 356–363., da dies die Reinigungsleistung von Waschmitteln verbessert. Hier zeigen sich Parallelen zur heutigen Rolle von Ölkonzernen bei der Unterstützung von KlimawandelleugnernPaul 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. Überraschend ist der geringe Beitrag von Stickstoffverbindungen, die an Eutrophierungsvorgängen in terrestrischen Ökosystemen und in Meeresküstengewässern (Ästuaren) wesentlich mitbeteiligt oder sogar entscheidend sind. Dass Stickstoffüberdüngung in Binnengewässern, von wenigen Spezialfällen abgesehen, praktisch keine Rolle spielt, wurde durch Manipulationsexperimente mit ganzen Seen nachgewiesen.D. W. Schindler: Evolution of Phosphorus Limitation in Lakes. In: Science. 195, Nr. 4275, 1977, S. 260–262, .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, , PMID 18667696.

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 Modellierung der Zusammenhänge stammen die wesentlichen Beiträge vom Program on Lake Eutrophication der OECDEutrophication of Waters (OECD) Monitoring, Assessment and Control unter Leitung von Richard A. Vollenweider,Richard A. Vollenweider: Input-output models. In: Schweizerische Zeitschrift für Hydrologie. 37, Nr. 1, 1975, S. 53–84, . 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 oligotrophen über den mesotrophen zum 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. ) 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 Polyphosphaten in Waschmitteln zur Gewässerschonung stark vermindert, bisher aber nicht in Spülmaschinenmitteln.Brigitte Osterath: Phosphatfrei waschen – phosphatbepackt spülen. In: Nachrichten aus der Chemie. 59, Nr. 9, 2011, S. 828–830, . 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.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, . 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.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, , PMID 12806078. Durch Aufnahme des Phosphors in lebende Organismen, Sedimentation von Biomasse am Gewässergrund und Rücklösung aus dem Sediment bildet sich zudem ein interner 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 metastabilen Zuständen aus, die je nach Phosphatgehalt „kippen“ können,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, . 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.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, .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, .

Bedingungen am Gewässergrund eutropher Seen