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  • Dr. Eckhard Coring EcoRing Hardegsen

    Kieselalgen/Diatomeen als biologische Qualitätskomponente

    18. Symposium Flussgebietsmanagement beim Wupperverband 20.05.2015

  • zumindest für einige Menschen formschön

    Was sind Diatomeen?

  • Was sind Diatomeen?

    • sehr alte Organismengruppe, ca. 200 Mio. Jahre alt

    • genaue Taxazahl ist unbekannt, schwankt je nach befragtem Bearbeiter, jedoch > 10.000, für Deutschland nach RL circa 1500-2000

    • Größe von 3 µm – mehrere cm, Einzelzellen mit Schwankungsbreiten zwischen 3 und 500 µm (etwa Hund und Eifelturm)

    • Kosmopoliten und nahezu in jedem Lebensraum vorhanden

    • planktisch und benthisch, in Fließgewässern primär benthische Kieselalgen relevant

    • in der Regel einzellig oder in Aggregaten

    • einige motil (bewegungsfähig)

    • einige fakultativ heterotroph

    • Mikroorganismen mit kurzen Generationszyklen

  • Was sind Diatomeen?

    • kommen in allen Gewässertypen vor • Beispiel Mittelgebirgsbach

    Stein mit Grünalgen (Cladophora)

    Stein mit nahezu reinem Diatomeenaufwuchs

    Phytobenthos im Gewässer meist ungleich verteilt

  • Was sind Diatomeen?

    • Kieselalgen zählen quantitativ zu den wichtigsten Primärproduzenten und nehmen eine zentrale Rolle in den Nahrungsnetzen ein

  • Taxonomische Zusammensetzung und quantitative Entwicklung abhängig von

    • biotischen und abiotischen Faktoren

    • Temperatur, Nährstoffgehalt, Licht

    • Konkurrenz mit anderen Primärproduzenten

    • Grazing durch Konsumenten

    • hydraulische Störungen, z.B. „clean up“ durch Hochwasser

  • sind Diatomeen geeignete Bioindikatoren?

    Bioindikatoren müssen •über das gesamte Gewässersystem verbreitet sein •spezifisch auf Änderungen der Wasserqualität bzw. Umweltveränderungen reagieren •eindeutig bestimmbar sein •vorhandene Unterschiede in Belastungsgradienten und/oder Gewässertypen differenzieren

  • sind Diatomeen geeignete Bioindikatoren?

    Ordinationsdiagramm auf der Basis einer DCA (Detrended Correspondence Analysis). Dargestellt sind die errechneten Gruppierungen auf der Basis der Ähnlichkeit von Diatomeenproben aus brackigen Gewässern (Stadtgewässer Emden), der karbonatisch geprägten Ilm (Jena), der silikatisch geprägten Volme (Hagen) sowie unterschiedlich stark versauerten Abschnitten der Zinse (Zinse)

  • sind Diatomeen geeignete Bioindikatoren?

    Diatomeen sind gute Bioindikatoren…. reagieren auf -bzw. indizieren- stoffliche (Belastungs)größen

    besonders gut zeigen eine hohe Abhängigkeit von Mikrohabitaten (Rott 1991) sind in hohem Maße substratabhängig haben kurze Generationszyklen und damit relativ kurze

    Indikationszeiträume spezifische Anforderungen an Probenahme und Auswertung sind

    in Normen präzisiert (EN 13946 Probenahme, EN 14407 Zählung)

  • Mögliche Anwendungsbereiche

    Diatomeen ermöglichen Aussagen zu…. Saprobie Trophie Versalzung Versauerung (Struktur) (Geologie/Pedologie)

    Nach Literatur, z.B. HÜRLIMANN 1993, DVWK 1999

  • Zusammenhänge zwischen Diatomeengesellschaften und Nährstoffen

    genereller Zusammenhang zwischen Gesellschaftszusammensetzung, quantitativer Entwicklung und Makronährstoffen

    signifikanter Zusammenhang zwischen Trophieindex (hier Rott et al. 1999) und TP

    dargestellt sind gemischte Daten aus Fließgewässern, unterschiedliche Substrate, Probenzeiträume

  • Zusammenhänge zwischen Diatomeengesellschaften und Nährstoffen

    Korrelationen werden deutlich besser wenn: 1. mehr als eine Probe verwendet wird 2. standardisierte Substrate wie z.B. Steine o.ä. verwendet werden 3. organisch geprägte Substrate und Sedimente unberücksichtigt

    bleiben

    Korrelationen zum o-PO4 häufig schwächer, z.B. wg. Nährstoffstripping durch Makrophytendominanz oder Plankton

  • Zusammenhänge zwischen Diatomeengesellschaften und Nährstoffen

    • RaKon-Orientierungswerte für Nährstoffe differenzieren nicht zwischen Bächen, Flüssen und Strömen

    • die genannten Konzentrationen ermöglichen hocheutrophe bis polytrophe Bedingungen

    • Bäche im Mittelgebirge haben einen oligotrophen (nährstoffarmen) Grundzustand, der auch innerhalb der Bewertungsverfahren als Referenz hinterlegt wurde. „Gute“ Bewertungen unter hocheutrophen Bedingungen sind eher unwahrscheinlich.

  • Diatomeen als Qualitätskomponente im Sinne der WRRL

    Bestimmungen für den guten ökologischen Zustand von Flüssen, Beispiel Makrophyten & Phytobenthos nach OGewV „Die makrophytischen und phytobenthischen Taxa weichen in ihrer Zusammensetzung und Abundanz geringfügig von den typspezifischen Gemeinschaften ab. Diese Abweichungen deuten nicht auf ein beschleunigtes Wachstum von Algen oder höheren Pflanzen hin, das das Gleichgewicht der in dem Gewässer vorhandenen Organismen oder die physikalisch-chemische Qualität des Wassers oder Sediments in unerwünschter Weise stören würde. Die phytobenthische Lebensgemeinschaft wird nicht durch anthropogene Bakterienzotten und anthropogene Bakterienbeläge beeinträchtigt.“

    Definition führt den Begriff „Taxa“ ( bedeutet in etwa Art) ein. In Deutschland werden daher in vielen Verfahren „Referenzartengesellschaften“ definiert bzw. verwendet. Dies ist nicht zwingend in allen europäischen Ansätzen der Fall und wird überdies in verschiedenen aktuellen Publikationen z.B. für urban geprägte Gewässer kritisch diskutiert (z.B. Elias et al. Limnologica 51, 2015)

  • PHYLIB-Verfahren, Teilkomponente Diatomeen

    • Trophieindex (bzw. Saprobienindex) - bewertungsrelevant • Referenzartensumme - bewertungsrelevant • Teilmodul Versalzung – Malussystem, differenziert nicht über den Belastungsgradient • Teilmodul Versauerung - Malussystem, differenziert über den Belastungsgradient • Anteil planktischer Taxa in Bächen und Flüssen – nicht bewertungsrelevant • Rote-Liste-Index – nicht bewertungsrelevant • Autökologische Heterogenität – nicht bewertungsrelevant

    PHYLIB-Verfahren für Diatomeen ist als multimetrischer Ansatz konzipiert:

  • PHYLIB-Verfahren, Teilkomponente Diatomeen

    • Beziehung zwischen Trophieindex und Referenzartensumme ist signifikant • beide Größen sind redundant und indizieren insbesondere Trophie

    redundante Indizes sollten im Rahmen von multimetrischen Verfahren nicht verwendet werden [DIN CEN/TR 16151 (2011) DIN SPEC 38410-71 , Technischer Report zur Entwicklung von multimetrischen Indices]

    Trophieindex und Referenzartensumme sind besonders relevant:

  • PHYLIB-Verfahren, Teilkomponente Diatomeen

    • Zustandsbewertungen auf der Basis der Diatomeen können im Jahresverlauf variieren

    • Vorgaben zum Umgang mit widersprüchlichen Bewertungen innerhalb eines OWK bzw. Untersuchungsjahres fehlen derzeit

    Ökologische Zustandsklasse auf der Basis der Teilkomponente „Diatomeen“ für den Werraabschnitt zwischen Tiefenort und Dorndorf für die Jahre 2009 bis 2013 nach BayLfU (2006ff) VBD = Vorläufige Bewertung Diatomeen; ÖZK = Endbewertung ökologische Zustandsklasse; HI = Halobienindex; HI Wert > 15 = Abwertung um eine Klasse; 1 = sehr gut; 2 = gut; 3 = mäßig; 4 = unbefriedigend; 5 = schlecht; * = Bewertung beruht auf nur einem oder zwei Taxa *ein Hi Wert >15 führt zu Abstufung um eine Zustandsklasse

  • PHYLIB-Verfahren, Teilkomponente Diatomeen

    CEN/TC 230/WG2 Biological methods, algae and macrophytes

    Proposal for a New Work Item on “variability and uncertainty associated with diatom based ecological assessment”

    Martyn Kelly et al. CEN/TC230/WG/TG3 (WG23): N168 :

    …….Based on UK experience, precision estimates can be listed (greatest influence to least) as: Spatial/temporal within water body > spatial within site = species identification > sample cross contamination > variation within slides Note species identification is a minor factor only if it is controlled by regular audits and ring-tests. Based on personal experience, I would rank the magnitude of “accuracy” factors to be similar to that of spatial/temporal variation within water bodies. Therefore, if precision of status class estimates is to be improved, the emphasis should be on replicate sampling within a water body, ………

  • Anwendungsbeispiel

    Niedersachsen, kleiner silikatischer Mittelgebirgsbach (Typ 5.1):

    •weitgehend naturnah, MZB- zeigt keinen Gütegradienten •WRRL-Bewertung differenziert nicht, PS2-PS4 werden als „gut“ bewertet •Diatomeenuntersuchungen indizieren wirksamen Einfluss einer „vergessenen“, technisch veralteten Kleinkläranlage •kein grundsätzlicher Widerspruch, jedoch wären wassergütewirtschaftlich begründete, präzisierte Definitionen des „guten ökologischen Zustands“ wünschenswert

    Probestelle Datum TDI Rott Trophiestatus PS 01 03.07.2013 0,68ultraoligotroph PS 01 07.03.2014 0,62ultraoligotroph PS 01 20.05.2014 0,99ultraoligotroph PS 02 03.07.2013 1,74mesotroph PS 02 07.03.2014 2,34eutroph PS 03 03.07.2013 2,75eutroph-polytroph PS 03 07.03.2014 2,10meso-eutroph PS 03 20.05.2014 2,54eutroph PS 04 03.07.2013 2,85eutroph-polytroph PS 04 27.08.2013 2,81eutroph-polytroph PS 04 16.10.2013 2,68eutroph PS 04 07.03.2014 2,52eutroph PS 04 2