Dr. Eckhard CoringEcoRing Hardegsen

Kieselalgen/Diatomeen als biologische Qualitätskomponente

18. Symposium Flussgebietsmanagement beim Wupperverband20.05.2015

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 substratabhängighaben 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….SaprobieTrophieVersalzungVersauerung(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 wird2. standardisierte Substrate wie z.B. Steine o.ä. verwendet werden3. 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/WG2Biological 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 slidesNote 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 TrophiestatusPS 01 03.07.2013 0,68ultraoligotrophPS 01 07.03.2014 0,62ultraoligotrophPS 01 20.05.2014 0,99ultraoligotrophPS 02 03.07.2013 1,74mesotrophPS 02 07.03.2014 2,34eutrophPS 03 03.07.2013 2,75eutroph-polytrophPS 03 07.03.2014 2,10meso-eutrophPS 03 20.05.2014 2,54eutrophPS 04 03.07.2013 2,85eutroph-polytrophPS 04 27.08.2013 2,81eutroph-polytrophPS 04 16.10.2013 2,68eutrophPS 04 07.03.2014 2,52eutrophPS 04 20.05.2014 1,79mesotroph

Probestelle Datum Anteil VerschmutzungszeigerHasselbach, PS 01 20.05.2014 4,42Hasselbach, PS 02 03.07.2013 13,73Hasselbach, PS 02 07.03.2014 41,97Hasselbach, PS 03 03.07.2013 10,63Hasselbach, PS 03 07.03.2014 24,38Hasselbach, PS 03 20.05.2014 38,55Hasselbach, PS 04 03.07.2013 9,90Hasselbach, PS 04 27.08.2013 15,63Hasselbach, PS 04 16.10.2013 14,51Hasselbach, PS 04 07.03.2014 12,83Hasselbach, PS 04 20.05.2014 5,87

Zusammenfassung

• Diatomeen sind geeignete, kosteneffiziente Bioindikatoren• sie können zeitlich und räumlich hochauflösende Informationen zur

biozönotischen Wirksamkeit stofflicher Belastungen liefern• Monitoringstrategie muss dabei die Abhängigkeit der

Bewertungsergebnisse von Mikrohabitaten und kurzen Generationszyklen stärker berücksichtigen

• die wassergütewirtschaftlich relevante Bedeutung des “guten Zustands” muss inhaltlich präzisiert werden