Eutrophierung von Gewässern

Eutrophierung stammt aus dem Griechischen und bedeutet so viel wie „gut ernährt“ (eu = gut; trophein = nähren, ernähren).
Unter Eutrophierung versteht man die natürliche oder durch den Menschen verursachte Anreicherung von Pflanzennährstoffen in stehenden oder langsam fließenden Binnengewässern oder in stark abgeschnürten Meeresteilen. Die Eutrophierung ruft in den betroffenen Gewässern eine Steigerung des Pflanzenwachstums hervor und kann zu unerwünschten Folgewirkungen führen.

Ursachen der Eutrophierung

Ursachen der Eutrophierung sind in der Regel vermehrte Einträge von Phosphor- und Stickstoffverbindungen, die in der natürlichen Zusammensetzung des Wassers nicht vorhanden sind und dadurch normaler Weise das Pflanzenwachstum beschränken. Genau das ist das Prinzip der von JUSTUS VON LIEBIG propagierten Düngemittelwirkung. Er erkannte das Gesetz des Minimums. Das bedeutet nichts anderes, als dass das maximale Wachstum einer Pflanze von dem Spurenelement begrenzt wird, das in der kleinsten Menge (im Minimum) vorhanden ist. Eine Erhöhung anderer Spurenelemente kann keine Wachstumssteigerung bewirken. Seine Skizze mit dem Fass, das an der Stelle ausläuft, an der sich die kürzeste Fassdaube (das Element im Minimum) befindet, ist auch heute noch bekannt. In natürlichen Gewässern ist in der Regel die Phosphatkonzentration sehr gering und damit der Minimumsfaktor.

Der Anteil der Phosphorverbindungen, besonders der Phosphate , ist für das Ausmaß der Eutrophierung entscheidend. Welche Gründe gab es für den übermäßigen Einsatz von Phosphaten? Neben der starken Düngung von Feldern in der Landwirtschaft spielten in der Vergangenheit besonders Einträge aus privaten Haushalten eine entscheidende Rolle: z. B. durch Pentanatriumtriphosphat. Dieser anorganische Komplexbildner war ein wichtiger Waschmittelinhaltsstoff bis in die 70er-Jahre des letzten Jahrhunderts. Diese preisgünstige Verbindung dissoziiert in Wasser in ein Triphosphat-Anion und Natrium-Kationen. Es bildet als guter Wasserenthärter mit ${\text{Mg}}^{\text{2+}}$ und ${\text{Ca}}^{\text{2+}}$ stabile Chelatkomplexe und stellt einen günstigen pH-Wert von 9,5 in der Waschlauge ein. Das fünffach negativ geladene Triphosphat-Ion wird an Fasern und Schmutz adsorbiert und verstärkt deren negative Ladung. Dadurch unterstützt es die Schmutzablösung bei polarem Schmutz stärker als Tenside und erleichtert das Ausspülen der Wäsche.
Gelangt aber zu viel Triphospat aus Waschmitteln in Seen und Flüsse, kommt es zu einer Überdüngung, weil Phosphate als Nährstoffe das Wachstum von Pflanzen und Mikroorganismen fördern können. Das damit verbundene Algenwachstum führt durch Sauerstoffverbrauch und Trübung zu einer Verschlechterung der Wasserqualität, zur Eutrophierung stehender und langsam fließender Gewässer.
Aus diesem Grund wurden Phosphate durch Zeolith A oder Polycarboxylate ersetzt.

Die Eutrophierung ist besonders bedrohlich für Binnenseen und langsame Fließgewässern, die zu den besonders empfindlichen Ökosystemen gehören: Gelangen durch die Einleitung von waschmittelhaltigem Abwasser oder den unbeabsichtigten Eintrag von Gülle und chemischen Düngemitteln von Feldern zu viele Pflanzennährstoffe in Gewässer mit niedrigem Wasseraustausch, setzt die Eutrophierung recht schnell ein. In Seen kommt es zu einem erhöhten Algenwachstum und einer Verkrautung durch wild wuchernde Wasserpflanzen. Das vermehrte Pflanzenwachstum führt zu einer Trübung des Wassers und tiefer liegende Pflanzenschichten können aufgrund mangelnden Lichteinfalls keine Fotosynthese mehr leisten. Sie sterben ab. Abgestorbene Organismen sinken zum Gewässergrund und werden in den unteren Gewässerschichten durch Mikroorganismen über aerobe Abbauvorgänge zersetzt. Es wird also verstärkt Sauerstoff zum Abbau des organischen Materials benötigt. Mit zunehmender Gewässertiefe wird diese Sauerstoffzehrung immer größer, und in dieser Gewässerschicht wird mehr Sauerstoff verbraucht, als eingetragen wird. Als Folge sinkt der Sauerstoffgehalt des Wassers mit zunehmender Tiefe. Durch die Temperaturschichtung im Sommer findet keine Durchmischung des warmen spezifisch leichteren Oberflächenwassers mit dem kälteren und damit schwereren Tiefenwasser statt. Somit kann auch kein Sauerstoff nach unten nachgeliefert werden (Bild 2). Am Grund des Sees ist irgendwann kein Sauerstoff mehr vorhanden und aerobe Abbauvorgänge werden durch anaerobe Abbauprozesse (ohne Sauerstoffbedarf) ersetzt. Fäulnisbakterien produzieren giftige Schwefelwasserstoffverbindungen, Ammoniak, Methan, es bilden sich stinkende Faulschlämme. Neben Pflanzen sterben auch Tiere. Bei extremer Eutrophierung spricht man vom „Umkippen“ des Sees.

Ein Beispiel für ein stark eutrophiertes Binnenmeer ist die Ostsee. Die in die Ostsee mündende Flüsse tragen übermäßig viele Pflanzennährstoffe ein. Sie verfügt nur über schmale Verbindungen zu den Weltmeeren, Wasseraustausch findet nur eingeschränkt statt.

Die Eutrophierung von Gewässern kann unterbunden und sogar rückgängig gemacht werden. Eine Möglichkeit ist die Sanierung der Gewässer. Dazu muss der Nährstoffeintrag stark reduziert bzw. gestoppt oder die Nährstoffe aus dem See entfernt werden. Das ist ein sehr aufwendiger und auch kostenintensiver Prozess. Erfolgreiche Bemühungen führten bei Seen im Alpenvorland und der Mecklenburgischen Seenplatte nach dem gesellschaftlichen Umbruch von 1989 durch drastisch verminderte Nährstoffeinträge aus Industrie- und Landwirtschaft und zusätzlichen Bau von Abwasserreinigungsanlagen zur Erholung der Gewässer.

Abwasserreinigung

Die Reinigung von Abwasser ist eine weitere Möglichkeit, den Stoffeintrag in die Gewässer zu reduzieren und damit von immenser Bedeutung. Die Abwasserreinigung erfolgt in mehreren Schritten. Ausführliche Informationen gibt es dazu unter dem Stichwort „Abwasserreinigung“.

1. Mechanische Abwasserreinigung
   Hier erfolgt die Abtrennung von nicht gelösten Stoffen, um das Abwasser von größeren festen Stoffen zu befreien. Im Vorklärbecken können ungelöste Schwebstoffe sedimentieren.
2. Biologischen Reinigung
   Aerobe Bakterien und Protozoen verstoffwechseln organische Substanzen und überführen sie in niedermolekulare Verbindungen, in Kohlenstoffdioxid, Wasser, Nitrate und Sulfate. Dieser Vorgang imitiert die Selbstreinigung in Oberflächengewässern und Grundwasserschichten. Zur Beschleunigung wird der Prozess in Belebtschlammbecken mit ausreichender Belüftung vorwiegend von aeroben Mikroorganismen durchgeführt.
3. Chemische Reinigung
   Hier erfolgt eine Neutralisation des pH-Wertes durch Zugabe von Natronlauge oder Kalk oder durch Ausfällung von Salzen und Ausflockung von Kolloiden. Eisen- und Aluminiumsalze werden eingesetzt, um Phosphat-Ionen auszufällen.