Nährstoff- und Sauerstoffgehalte in der Schlei

Stand: 18. Dezember 2015.

Verfasser: Svend Duggen, Dr. rer. nat., Dipl. Geol.,

Geowissenschaftler, Gymnasiallehrer für Chemie und Geographie an der A. P. Møller Skolen in Schleswig.

 

Wenn Sie diesen Artikel zitieren möchten geben Sie bitte Folgendes an:

Duggen S (2015) Nährstoff- und Sauerstoffgehalte in der Schlei. Erschienen auf der Internetseite des Schleiinformations- und Erlebniszentrums, SIEZ. www.schleiinfozentrum.de am 19. Dezember 2015.

 

Inhaltsverzeichnis

  • 1. Bisherige Untersuchungen
  • 2. Untersuchungen der Nährstoffgehalte durch Schüler-Arbeitsgruppen
  • 2.1. Innere Schlei (Kleine Breite)
  • 2.2. Füsinger Au
  • 3. Untersuchungen der Sauerstoffgehalte durch Schüler-Arbeitsgruppen
  • 3.1. Weshalb Messungen der Sauerstoffgehalte wichtig sind
  • 3.2. Sauerstoffgehalte in der inneren Schlei
  • 3.2.1. Sauerstoffgehalte in der Übersicht
  • 3.2.2. Aktuelle Messwerte der Sauerstoffgehalte
  • 3.2.3. Vergleichsdaten (Vertiefung)
  • 4. Messmethoden
  • 4.1. Spektrophotometrische Nährstoffanalytik
  • 4.2. Messungen mit der WTW Multiparametersonde
  • 5. Unterstützung und Förderung
  • 6. Quellenverzeichnis und Literatur

 

1. Bisherige Untersuchungen

Die Nährstoffgehalte in der Schlei werden seit den 1970´er Jahren durch die Landesämter Schleswig-Holsteins untersucht. Eine erstmalige detaillierte Untersuchung fand in den Jahren 1974 bis 1977 durch das Landesamt für Wasserhaushalt und Küsten statt. Seit 1980 werden regelmäßige Probenahmen und Messungen an verschiedenen Stationen entlang der Schlei im Rahmen des Programms „Ostseemonitoring“ durchgeführt. Hierbei werden unterschiedliche hydrographische und hydrochemische Messgrößen erfasst: Nährstoffgehalte wie Ammonium-, Nitrat- und Gesamtstickstoff, ortho-Phosphat, Gesamtphosphor und Kieselsäure sowie Sauerstoffgehalt, Wassertemperatur, Salzgehalt, pH-Wert und die Sichttiefe.

Seit 1982 wurde hierfür das Gewässeraufsichtsschiff Haithabu genutzt (http://de.wikipedia.org/wiki/Haithabu_(Schiff)). Dieses ist im Jahr 2014 gegen ein moderneres Mess- und Laborschiff gleichen Namens ausgetauscht worden. Das Schiff steht den Mitarbeitern des Landesamtes für Landwirtschaft, Umwelt und ländliche Räume (LLUR) für Untersuchungen in Ost- und Nordsee zur Verfügung und kommt zehn Mal im Jahr zur Beprobung in die Schlei (http://www.schleswig-holstein.de/DE/Landesregierung/LLUR/llur_node.html).

Im Zeitraum 1980 bis 1997 wurden fünf Positionen fünfmal jährlich aufgesucht: Bei Kappeln, Bienebek und Lindholm sowie in der Großen und Kleinen Breite. Seit 1997/98 werden lediglich drei Stationen, allerdings zehnmal jährlich angelaufen: Bei Kappeln und Lindholm sowie die Große Breite. Die Messdaten werden mit Abständen von mehreren Jahren in Berichten veröffentlicht (z.B. LANU- und LLUR-Berichte, siehe untenstehende Literaturliste)

 

2. Untersuchungen der Nährstoffgehalte durch Schüler-Arbeitsgruppen

Die Nährstoffgehalte der Schlei sind von zentraler Bedeutung für den ökologischen Zustand des Gewässers. Die Daten der Landesämter werden in zeitlich größeren Abständen veröffentlicht, so dass die Veränderungen über kürzere Zeiträume für die Öffentlichkeit nicht unmittelbar einsehbar sind.

Seit 2012 führt die Schüler AG „Umweltuntersuchungen Schlei“ der dänischen A. P. Møller Schule in Schleswig Messungen vor allem in der Kleinen Breite durch (www.apmoellerskolen.org). Schüler, welche seit 2012 teilgenommen haben sind: Anders, Anna, Colja, Dietke, Fabian, Frederik, Frithjof, Fynn, Georg, Gianna, Iben, Jan, Jannik, Jendrik, Johanna, Kim, Kim-Laura, Kira, Kjeld, Lars, Lasse, Lea, Lea, Lilian, Lukas, Magnus, Marius, Niels, Niclas, Niklas, Nis, Phillip, Sebastian, Sonja, Thurid, Troels, Vanessa. Untersuchungen der Schlei und ihrer Wasserläufe werden außerdem in den naturwissenschaftlichen Unterricht in den Fächern Biologie, Chemie und Geographie mit einbezogen.

Aktuelle Daten zu Nährstoffstoffgehalten sowie Messreihen mit kürzeren Zeitabständen werden dem SIEZ zur Verfügung gestellt und hier dargestellt. Die analytischen Methoden werden im Anschluss kurz beschrieben.

 

2.1. Innere Schlei (Kleine Breite)

Probenentnahmestelle: A. P. Møller Schule in Schleswig.

Messdaten vom 17. Dezember 2015 der gelösten Nährstoffgehalte im Filtrat:

(In Klammern: Seit Anfang 2012 höchster gemessener Wert mit Datum)

 

Ammonium (NH4+)                0,30 mg/L                   (0,5 mg/L 12. Dez. 2013)

Nitrit (NO2-)                          <0,03 mg/L                 (0,13 mg/L 05. Feb. 2015)

Nitrat (NO3-)                          12 mg/L                      (20 mg/L 05. Feb. 2015)

Anorgan. Stickstoff (DIN)     0,31 mg/L                   (4,8 mg/L 05. Feb. 2015)

ortho-Phosphat (PO43-)          0,13 mg/L                   (1,3 mg/L 20. Dez. 2012)

 

In Abbildung 1 werden für die Kleine Breite die gemessenen Stickstoff- und Phosphorgehalte im Vergleich zu Orientierungswerten für einen guten ökologischen Zustand dargestellt. Der Gehalt an gelösten anorganischen Stickstoff (DIN) wird aus den Stickstoffgehalten der Verbindungen Nitrat, Nitrit und Ammonium errechnet.

Die Orientierungswerte enthalten außer anorganischen ebenfalls organisch gebundenen Stickstoff (z.B. Harnstoff) bzw. organisch gebundenen Phosphor, welche jedoch in den Messwerten der Schule bisher nicht erfasst werden. Allerdings machen Nitrat bzw. ortho-Phosphat beim gelösten anorganischen Stickstoff und Phosphor den Hauptanteil aus und stellen somit für die Beurteilung des aktuellen ökologischen Zustandes gut geeignete Näherungswerte dar.

 

Ökologisch guter Zustand

Damit ein ökologisch guter Zustand vorliegt, muss der Jahresdurchschnitt der gemessenen Werte aller Nährstoffparameter unterhalb der Orientierungswerte liegen. Zusätzlich werden in der Literatur Orientierungswerte für den Winter angegeben, die jedoch unter den Jahresmittelwerten liegen. Je mehr Werte oberhalb der Orientierungswerte vorkommen, desto unwahrscheinlicher wird es, dass die innere Schlei für das Jahr 2015 einen guten ökologischen Zustand erreicht.

Im Winter überstiegen die Nährstoffgehalte in der inneren Schlei die Orientierungswerte um ein Vielfaches. Im Früh- bis Spätsommer waren die Gehalte gelöster Nährstoffe relativ niedrig, sehr wahrscheinlich hauptsächlich durch den hohen Nährstoff-Verbrauch der Frühjahrsblüte (insbesondere Grünalgen) und der Sommerblüte (insbesondere Blaualgen und Grünalgen). Der Abbau von Nitrat kann auch teilweise durch Kontakt mit dem Faulschlamm am Grund der Schlei erfolgen (Denitrifikation). Der starke Anstieg im November kann auf verringerten Nährstoffverbrauch durch die Verlangsamung des Algenwachstums (Primärproduktion) bei gleichzeitiger externer Nährstoffzufuhr (z.B. aus Auen, Niederschlag und Klärwerken) zurück geführt werden.

Im Hochsommer stieg der Gehalt an Phosphat auf ein hohes Niveau an. Ursache hierfür war vor allem die Rücklösung von Phosphat aus der Faulschlamm-Oberfläche, bedingt durch sommerlichen Sauerstoffschwund am Grund der Schlei, sowie teilweise durch den Eintrag von Phosphat aus der Füsinger Au (siehe Abschnitt 2.2.). Der abfallende Phosphat-Gehalt im Spätsommer weist auf eine Rückbindung von Phosphat an den Faulschlamm durch bessere Sauerstoffversorgung der inneren Schlei hin (siehe Abschnitt 3.2.2.). Ab November befand sich der Phosphat-Gehalt wieder auf einem niedrigeren Niveau, jedoch weiterhin über den Orientierungswerten.

Mit Abschluss der Messungen für das Jahr 2015 wird deutlich, dass die Nährstoffgehalte der inneren Schlei sowohl im Jahresmittel als auch im Winter über den Orientierungswerten für einen guten ökologischen Zustand lagen. Dies ist in Übereinstimmung mit den Daten und Aussagen im Bericht „Nährstoffe in Gewässern Schleswig-Holsteins“ des Landesamtes für Landwirtschaft, Umwelt und ländliche Räume des Landes Schleswig-Holstein (LLUR) von 2014.

Obwohl die Situation der inneren Schlei sich seit den 1970er und 1980er Jahren merklich gebessert hat, ist bisher ein ökologisch guter Zustand noch nicht erreicht worden. Hierfür wäre eine weitere Senkung der externen Nährstoffeinträge (aus Auen, Klärwerken, Landwirtschaft) in Kombination mit einer Bearbeitung des Faulschlammes am Grund der Schlei erforderlich (Ripl 1985, Feibicke 2005, Ohlendieck 2009).

 

Messreihe_KleineBreite_17Dez2015

Abbildung 1: Messreihe der Nährstoffgehalte (im Filtrat) in der Kleinen Breite im Jahr 2015. Die Wasserproben wurden aus 1 m Tiefe an A. P. Møller Schule entnommen. Der innere Teil der Schlei wird mit einem Salzgehalt von etwa 5 ‰ als mesohalines inneres Küstengewässer vom Typ B2a eingestuft. Bei diesem Typ sollten folgende Orientierungswerte für die Nährstoffgehalte bei einem guten ökologischem Zustand nicht überschritten werden (Jahresmittelwerte): Gesamt-Stickstoff (Ges.-N) <0,27 mg/L und Gesamt-Phosphor (P) <0,029 mg/L (siehe Bericht des LLUR 2014).


2.2. Füsinger Au

Probenentnahmestelle: Brücke der Kreisstraße 119 (Schleidörferstrasse).

Messdaten vom 17. Dezember 2015 der gelösten Nährstoffgehalte im Filtrat:

(In Klammern: Seit Anfang 2012 höchster gemessener Wert mit Datum)

 

Ammonium (NH4+)                0,11 mg/L                   (0,42 mg/L 10. Juni 2014)

Nitrit (NO2-)                          <0,03 mg/L                 (0,28 mg/L 24. Okt. 2013)

Nitrat (NO3-)                          29 mg/L                      (42 mg/L 12. Dec. 2013)

Gesamt-Stickstoff (Ges.-N)   6,6 mg/L                     (9,6 mg/L 12. Dec. 2013)

ortho-Phosphat (PO43-)          0,2 mg/L                     (0,4 mg/L 04. Juni 2015)

 

In Abbildung 2 werden ausgewählte Werte der Füsinger Au im Vergleich zu Orientierungswerten für einen guten ökologischen Zustand dargestellt. Damit dieser vorliegt, sollten alle gemessenen Werte unter den Orientierungswerten liegen. Deutlich sind die erhöhten Gehalte an Stickstoff, welcher überwiegend an Nitrat gebunden ist und meist weit über dem Orientierungswert lag. Die niedrigsten Werte liegen während der Vegetationsperiode vor, die Höchstwerte in der kühleren Jahreszeit. Die Phosphatgehalte liegen meist oberhalb des Orientierungswertes und erreichen die höchsten Werte während der Vegetationsperiode. Die Daten verdeutlichen, dass die Füsinger Au eine bedeutsame externe Nährstoffquelle für die innere Schlei darstellt.

 

Messreihe_FüsingerAu_17Dez2015

Abbildung 2: Messreihe der Nährstoffgehalte (im Filtrat) in der Füsinger Au im Jahr 2015. Die Wasserproben wurden in der Mitte der Au aus 1 m Tiefe an der Schleidörferstraße entnommen. Die Füsinger Au wird dem Fließgewässertyp 17 (Kiesgeprägte Tieflandflüsse) zugeordnet. Bei diesem Typ sollten folgende Orientierungswerte für die Nährstoffgehalte bei einem guten ökologischem Zustand nicht überschritten werden (Jahresmittelwerte): Ammonium-N (NH4-N) <0,3 mg/L, Gesamt-Stickstoff (Ges.-N) <2,8 mg/L und ortho-Phosphat als P <0,07 mg/L (siehe Bericht des LLUR 2014).

 

3. Untersuchungen der Sauerstoffgehalte in der Schlei durch Schüler-Arbeitsgruppen

3.1. Weshalb Messungen der Sauerstoffgehalte wichtig sind

Sauerstoffschwund ist im Ostseeraum einschließlich der Ostsee-Förden ein weit verbreitetes Phänomen. Die Häufigkeit für das Auftreten von schwerem Sauerstoffschund mit Gehalten unter 2 mg/L (Hypoxie) zeigt eine zunehmende Tendenz (Conley 2011).

Bereits bei Sauerstoffgehalten von 5-7 mg/L entstehen für manche Fischarten (vor allem Raubfischen) der Schlei Einschränkungen. Der untere kritische Bereich wird für zahlreiche Fischarten bei 3-4 mg/L erreicht (Otto und Zahn 2008). Bei Sauerstoffgehalten unter 2 mg/L sterben bodenlebende Organismen ab, was zu Veränderungen der Zusammensetzungen der am Boden lebenden Fauna mit sich führt. Nur wenige Fische wie der Europäische Aal (Anguilla anguilla) sind in der Lage, im Bereich der Hypoxie zu überleben. Je länger dieser Zustand anhält, desto problematischer wird die Situation für die Fauna. Besonders kritisch wird es, wenn unter dem Einfluss von Bakterien im Faulschlamm Schwefelwasserstoff (H2S) als Faulgas entsteht und in die Wassersäule entweicht. Schwefelwasserstoff ist für alle Sauerstoff atmenden Organismen ein extrem giftiges Zellgift und kann weit in die Wassersäule hinein ein größeres Tiersterben verursachen.

Sehr niedrige Sauerstoffgehalte beeinflussen außerdem massiv die Nährstoffkreisläufe. In der Schlei ist dies vor allem die spätsommerliche starke Freisetzung des Nährstoffs Phosphat aus dem Faulschlamm, welche die spätsommerlichen Blüten von Blaugrünalgen (Microcystis aeruginosa) verursacht. Eine Erfassung des Sauerstoffgehaltes in Vertikalprofilen der Schlei ist daher ein wichtiger Parameter zur Untersuchung des ökologischen Zustands des Gewässers.

Die Messungen der Sauerstoffgehalte in der Schlei wurden in unterschiedlichen Tiefen von Forschungsinstituten und Landesämtern durchgeführt. Gocke et al. führten Messungen mit Hilfe von Sonden der Fa. WTW in 1 Meter Abständen bis 0,3 Meter über Grund durch. Die Messungen zu diesem Zeitpunkt weisen auf keinen Sauerstoffschwund in diesen Tiefen auf. Das Auftreten von Sauerstoffschwund ist jedoch stark abhängig von der Jahreszeit und den Wetterverhältnissen.

Für die 2001 veröffentlichten Ergebnisse der Untersuchungen der Schlei durch das LANU wurden an allen Stationen Proben aus 1 Meter Tiefe (plus aus 9 Metern bei Kappeln) entnommen. Die Spannweite der Sauerstoffgehalte zu verschiedenen Jahreszeiten liegen demnach im Bereich 6,3 mg/L bis 22,8 mg/L. Die Sauerstoffgehalte innerhalb des Bereichs 0 bis 1 Meter über Grund wurden hierbei nicht erfasst. Aber gerade dort sind wegen der Sauerstoffzehrung absinkenden biologischen Materials und des Faulschlamms und fehlender Photosynthese die niedrigsten Sauerstoffgehalte zu erwarten.

Im Jahr 2013 wurde für die Schüler AG „Umweltuntersuchungen Schlei“ der dänischen A. P. Møller Schule in Schleswig eine moderne Multiparametersonde der Wissenschaftlich-Technischen Werkstätten (WTW) erworben. Diese wird auch in den naturwissenschaftlichen Unterricht in den Fächern Biologie, Chemie und Geographie einbezogen. Mit der mobilen und handlichen Multiparametersonde können die Schüler der A. P. Møller Skolen Vertikalprofile des Sauerstoffgehalts (sowie Temperatur, Salzgehalt und pH-Wert) bis an die Oberfläche des Faulschlamms erstellen. Daten zu Sauerstoffgehalten werden dem SIEZ zur Verfügung gestellt und hier dargestellt. Die analytische Methode wird im Anschluss kurz beschrieben.

 

3.2. Sauerstoffgehalte in der inneren Schlei

Es wird bevorzugt in der inneren Schlei gemessen (z.B. Kleine und Große Breite, Haddebyer Noor). Da in der inneren Schlei Nährstoffbelastung, biologische Produktion und Faulschlammbildung am höchsten sind, sollte hier die höchste Sauerstoffzehrung und somit das größte Risiko von Sauerstoffschwund vorliegen.

Der Sauerstoffhaushalt in der Schlei ist abhängig von der Jahreszeit. Wichtige Faktoren für den Sauerstoffhaushalt sind direkt oder indirekt Temperatur, Lichtmenge und Wind, biologische Produktion, Vorhandensein von oxidierbaren Substanzen (z.B. Faulschlamm am Grund der Schlei, organisches Material abgestorbener Algen, eingetragenes Ammonium oder Harnstoff aus der Landwirtschaft oder Sportschiffahrt).

In der wärmeren Jahreszeit und bei starkem Lichteinfall ist die Sauerstoffproduktion durch Photosynthese betreibende Mikroorganismen im oberen Bereich der Wassersäule am höchsten. Durch Sauerstoffzehrung sinkt der Sauerstoffgehalt im unteren Bereich der Wassersäule ab. Im Winter zeigen sich in der Wassersäule nur geringe Unterschiede im Sauerstoffgehalt.

Änderungen der Windverhältnisse nehmen unmittelbar Einfluss auf die vertikale Durchmischung (z.B. bei Stürmen). Dies ist darauf zurückzuführen, dass eine Sprungschicht wegen der geringen Tiefe in der inneren Schlei nicht vorhanden ist. Für die Bewegung des Sauerstoffs vom oberen zum unteren Bereich der Wassersäule spielt weiterhin Diffusion eine Rolle.

Im Faulschlamm ist Sauerstoffschwund permanent vorhanden. Dies ist an dem fauligen Geruch des Schlamms erkennbar. In der unteren Wassersäule tritt der Sauerstoffschwund vor allem im Spätsommer auf. Da der Faulschlamm durch die Wellenbewegungen bevorzugt in den tieferen Bereichen der Schlei angehäuft wird sind die inneren und tieferen Bereiche der Schlei-Becken generell anfälliger für Sauerstoffschwund. Relativ niedrige Sauerstoffgehalte über dem Grund können im Spätsommer aber auch in der Nähe der Uferzonen bereits in 2 Meter Tiefe erreicht werden.

 

3.2.1. Sauerstoffgehalte in der Übersicht

Abbildung 3 zeigt alle Daten zum Sauerstoffgehalt, welche von der Schülergruppe der A. P. Møller Skolen gemessen wurden. Die beiden schwarzen konkaven Linien zeigen die temperaturabhängigen Sauerstoffgehalte in Meer- und Brackwasser im Gleichgewicht mit dem Sauerstoffgehalt der Atmosphäre. Gehalte über diesen Linien entstehen durch Sauerstoffproduktion (z.B. durch Photosynthese), Gehalte darunter durch Sauerstoffzehrung (z.B. Respiration). Die Sauerstoffgehalte in der Schlei variieren demnach vertikal zwischen Sauerstoffübersättigung um 15 mg/L nahe der Wasseroberfläche und starkem Sauerstoffschwund bis 0 mg/L am Grund. Der Zusammenhang mit der Temperatur verdeutlicht, dass die größten Unterschiede und Sauerstoffschwund vorzugsweise in der wärmeren Jahreszeit auftritt.

Die farbigen Linien weisen vereinfacht auf die Auswirkungen auf Fische in der Schlei (grün – Einschränkungen für einige Arten (bestimmte Raubfische), orange – kritisch für viele Fischarten, rot – sehr kritisch für die meisten Fischarten) hin. Die niedrigen Sauerstoffgehalte treten bevorzugt nahe dem Faulschlamm am Grund und vor allem im inneren Bereich der Kleinen und Großen Breite auf.

Abb_3_Sauerstoffgehalte_alle

Abbildung 3: Sämtliche (bis 10. Dezember 2015) mit der Multiparametersonde gemessenen Sauerstoffgehalte im Zusammenhang mit der Temperatur. Die schwarzen konkaven Linien zeigen die temperaturabhängige Sauerstoffsättigung (= 100 %) an. Grenzwerte für Toleranzgrenzen für verschiedene Fischarten (grüne, orange, rote Linien) nach Otto und Zahn (2008).

 

3.2.2. Aktuelle Messwerte der Sauerstoffgehalte

In diesem Abschnitt werden zum Vergleich die Sauerstoffprofile aktueller Messungen in der Kleinen Breite und Großen dargestellt.

Mitteilung vom 4. Juni:

Abbildung 4a zeigt ein Sauerstoff-Vertikalprofil vom 4. Juni 2015 aus der Mitte der Kleinen Breite. Die Daten wurden früh nachmittags an einem sonnenreichen, windarmen Tag nach einer Phase von mehreren sehr windreichen bis stürmischen Tagen durchgeführt. Nach windreichen Phasen sind die Sauerstoffprofile der Schlei typischerweise etwas unregelmäßig, was auf einen wechselnden Wasserstand und hier einfließendem Wasser aus der mittleren bis äußeren Schlei zurückgeführt werden kann. Der hohe Sauerstoffgehalt in den oberen 2,5 Metern der Wassersäule mit Sauerstoffsättigungen von 110 % bis knapp 170 % finden ihre Ursache in der sehr hohen Sauerstoffproduktion durch Photosynthese betreibende Mikroorganismen (z.B. Grünalgen), was durch eine sehr niedrige Sichttiefe von 0,4 Metern belegt wird. Diese Sichttiefe deutet an, dass in einer Tiefe von knapp einem Meter zu wenig Licht für Photosynthese übrig ist. Darunter führt Sauerstoffzehrung (Respiration) deshalb zu einer Abnahme des Sauerstoffgehalts. An der Oberfläche des Faulschlamms am Grund tritt mit einem Gehalt von unter 1 mg/L trotz der vorhergehenden windreichen und durchmischenden Wetterlage bereits im späten Frühjahr 2015 extremer Sauerstoffschwund auf. Es ist zu erwarten, dass sich dieser mit steigender Wassertemperatur (am 4. Juni ca. 13,5 °C in 3,4 Meter Tiefe) und verringerter Durchmischung (bei stillen Wetterlagen) im Laufe des Sommers 2015 erheblich verstärkt und in die untere Wassersäule vordringt.

Abb_4a_Sauerstoffprofil_KlBreite_Juni2015

Abbildung 4a: Sauerstoff-Vertikalprofil vom 4. Juni 2015, gemessen früh nachmittags mit der Multiparametersonde in der Mitte der Kleinen Breite. Starker Sauerstoffschwund tritt direkt an der Oberfläche des Faulschlamms auf.

 

Mitteilung vom 16 Juli:

Die Messungen vom 16. Juli bestätigen diese Prognose: Abbildung 4b zeigt ein Sauerstoff-Vertikalprofil in der Mitte der Kleinen Breite vom 16. Juli 2015. Bei einer Sichttiefe von etwa 0,45 m unterhält das Sonnenlicht bis in etwa 1 m Tiefe eine starke Sauerstoffproduktion durch Photosynthese. Dadurch entstehen tagsüber an der Wasseroberfläche sehr hohe Sauerstoffgehalte von 13-14 mg/L, entsprechend einer Sauerstoffsättigung von rund 150 %. Unterhalb von etwa 1m sinkt der Sauerstoffgehalt deutlich ab. In 2,5 m Tiefe ist der Sauerstoffgehalt bereits bis 9,3 mg/L, entsprechend einer Sättigung von 104 %, abgesunken. Sauerstoffschwund mit 4 mg/L wird bei etwa 2,8 m erreicht. Bei 3 m herrscht bereits starker Sauerstoffschwund mit Werten unter 2 mg/L (Hypoxie). Direkt an der Oberfläche des Faulschlamms ist der Sauerstoffgehalt auf etwa Null abgesunken. Die Daten zeigen, dass im Frühsommer 2015 in den tieferen, mit Faulschlamm angereicherten Bereichen der inneren Schlei starker bis extremer Sauerstoffschwund auftritt. Dieser tritt nun nicht nur an der Oberfläche des Faulschlamms auf, sondern auch in der Wassersäule bis 0,5 m über Grund.

Dieser Zustand ist derzeit sehr wahrscheinlich weitflächig in der Kleinen und Großen Breite anzutreffen und stellt für sauerstoffatmende bodenlebende Organismen eine katastrophale Situation dar, insbesondere für solche, die sich nicht oder nur sehr langsam fortbewegen können (z.B. Muscheln, Schnecken, Krebse). Es ist zu erwarten, dass dieser Zustand fast den ganzen Sommer durchhält und nur bei sehr stürmischen Wetterlagen kurzzeitig abgeschwächt oder vielleicht sogar unterbrochen wird. Andererseits kann sich bei ruhiger Wetterlage und steigenden Temperaturen die Zone mit Sauerstoffschwund weiter in die Wassersäule vordringen.

 Abb_4_Sauerstoffprofil_Juli2015

Abbildung 4b: Sauerstoff-Vertikalprofil vom 16. Juli 2015, gemessen früh nachmittags mit der Multiparametersonde in der Mitte der Kleinen Breite. Extremer Sauerstoffschwund (Hypoxie) tritt bis etwa 0,5 Meter über Grund in der Wassersäule auf.


Mitteilung vom 21. August:

Die Messungen von 21. August (Abbildung 4c) deuten an, dass der Sauerstoffschwund im Vergleich zum 16. Juli durch häufiger werdende windige Wetterlagen und wechselnde Wasserstände leicht abgeschwächt worden ist. Allerdings wird deutlich, dass weiterhin starker Sauerstoffschwund mit Werten unter 2 mg/L bis etwa 20 Zentimeter in die untere Wassersäule hinein vorkommt.

Abb_4c_Sauerstoffprofil_KlBreite_Aug2015

Abbildung 4c: Sauerstoff-Vertikalprofil vom 20. August 2015, gemessen früh nachmittags mit der Multiparametersonde in der Mitte der Kleinen Breite. Starker Sauerstoffschwund tritt weiterhin direkt an der Oberfläche des Faulschlamms auf.

 

Messungen in der Großen Breite ebenfalls vom 21. August liefern ein ähnliches Bild (Abbildung 4d). Der Sauerstoffgehalt sinkt von über 13 mg/L im oberen Meter bis fast auf Null an der Oberfläche des Faulschlamms ab. Die Zone mit starkem Sauerstoffschwund unter 2 mg/L reicht vom Grund bis etwa 25 Zentimeter in die Wassersäule hinein. Die Messungen in der Kleinen und Großen Breite zusammen genommen machen deutlich, dass starker Sauerstoff am Grunde der inneren Schlei im derzeit und sehr wahrscheinlich jeden Sommer weit verbreitet ist.

Abb_4d_Sauerstoffprofil_GrBreite_Aug2015

Abbildung 4d: Sauerstoff-Vertikalprofil vom 20. August 2015, gemessen früh nachmittags mit der Multiparametersonde in der Mitte der Großen Breite. Starker Sauerstoffschwund tritt hier ebenfalls an der Oberfläche des Faulschlamms auf.

 

Mitteilung vom 29. September:

Messungen in der Kleinen Breite Ende September zeigen ein ähnliches Vertikalprofil wie zuvor im Juli und August. Als auffällige Abweichung erscheinen hohe Sauerstoffgehalte in den oberen 1,5 Metern der Wassersäule mit Werten um 17 mg/L. Diese sind sehr wahrscheinlich auf niedrigere Wassertemperaturen und somit eine verbesserte Sauerstoff-Löslichkeit zurückzuführen. Unterhalb von 1,5 Metern sinken die Werte ab und erreichen wie zuvor beinahe 0 mg/L an der Oberfläche des Faulschlamms. Die Zone mit starkem Sauerstoffschwund unter 2 mg/L reicht weiterhin vom Grund bis etwa 25 Zentimeter in die Wassersäule hinein.

Weiterhin auffällig sind ist der sprunghafte Fall des Sauerstoffgehaltes von etwa 12 mg/L auf 11 mg/L bei einer Tiefe von rund 2 bis 2.5 Metern. Dieser geht mit einem Sprung im Salzgehalt von 5,6 ‰ auf 6,5 ‰ sowie des pH-Wertes von 8,9 auf 8,6 in der Kleinen Breite einher (simultan gemessen mit der Multiparametersonde). Diese Daten weisen auf eine Sprungschicht hin, die durch einfließendes dichteres Wasser aus der Großen Breite und evtl. der Mittleren Schlei entsteht.

Obwohl die Sprungschicht recht schwach ausgebildet ist, wird der Sauerstoffhaushalt der Inneren Schlei dadurch vorübergehend deutlich beeinflusst. Durch die Sprungschicht profitiert der untere Bereich der Wassersäule nicht unmittelbar von den höheren Sauerstoffgehalten der oberen Wassersäule. Dadurch wird der Abbau des Sauerstoffschwundes an der Oberfläche des Faulschlamms sehr wahrscheinlich gehemmt.

Abb_4e_Sauerstoffprofil_KlBreite_Sept2015

Abbildung 4e: Sauerstoff-Vertikalprofil vom 29. September 2015, gemessen früh nachmittags mit der Multiparametersonde in der Mitte der Kleinen Breite. Starker Sauerstoffschwund tritt hier an der Oberfläche des Faulschlamms auf.

 

Mitteilung vom 10. Dezember:

Die Messungen zeigen ein typisch winterliches Vertikalprofil ohne vertikale Unterschiede der Sauerstoffgehalte. Diese lagen bei etwa 10,5 mg/L, welche bei der gegebenen Temperatur von etwa 6,3 °C und einem Salzgehalt von 4,3 ‰ einer Sauerstoffsättigung von etwa 88 % entspricht. Eine Sauerstoffsättigung signifikant unter 100 % trotz stürmischer Wetterlage und starker vertikaler Durchmischung weist auf einen weit verbreiteten Sauerstoffverbrauch in der inneren Schlei hin. Dieser ist möglicherweise durch den Abbau von Algen-Biomasse der im Spätherbst absterbenden sommerlichen Algenblüten (z.B. Blaualgen und Grünalgen) zurück zu führen.

Abb_4f_Sauerstoffprofil_KlBreite_Dez2015

Abbildung 4f: Sauerstoff-Vertikalprofil vom 10. Dezember 2015, gemessen früh nachmittags mit der Multiparametersonde am Brückenkopf des Schleswiger Hafens. Die Daten zeigen eine gute Sauerstoffversorgung ohne vertikale Unterschiede.

 

3.2.3. Vergleichsdaten (Vertiefung)

Zum Vergleich werden in den folgenden Abbildungen 5, 6 und 7 exemplarisch Sauerstoff-Vertikalprofile aus der inneren Schlei zu verschiedenen Jahreszeiten gezeigt.

Abbildung 5 zeigt ein typisches Winterprofil vom Februar 2014 vom Stadthafen in Schleswig. Die Sauerstoffgehalte lagen fast in der gesamten Wassersäule um 12 mg/L, entsprechend etwa 98 % Sauerstoffsättigung. Lediglich direkt an der Sedimentoberfläche sank der Sauerstoffgehalt auf etwa 8 mg/L (ca. 70 % Sättigung) ab. Ursache hierfür ist die im Winter sehr verlangsamte bzw. fehlende biologische Produktion, die sowohl Sauerstoffproduktion in der oberen als auch Sauerstoffzehrung in der unteren Wassersäule bedingen würde, sowie eine verlangsamte Sauerstoffzehrung an der Oberfläche des faulschlammhaltigen Sediments am Grund.

Abb5

Abbildung 5: Sauerstoff-Vertikalprofil vom Februar 2014, gemessen mit der Multiparametersonde am Stadthafen von Schleswig.

 

Abbildung 6 zeigt ein Sauerstoff-Vertikalprofil von der Mitte der Kleinen Breite nach einer warmen und windstillen Wetterphase im Juli 2013. Im oberen Bereich der Wassersäule waren die Sauerstoffgehalte mit 12-13 mg/L relativ hoch (um 150 % Sättigung). Bei einer Tiefe von 2 Metern bis zum Grund nahmen die Sauerstoffgehalte mit Werten von 6 mg/L bis fast 0 mg/L deutlich ab (entsprechend 70 % bis 1 % Sättigung). An der Oberfläche des Faulschlamms wurde somit schwerer Sauerstoffschwund (Hypoxie) erreicht. Mehrere Messungen in der Kleinen Breite zeigen, dass kritische Sauerstoffgehalte von unter 4 mg/L bis 0,5 Meter über Grund in der unteren Wassersäule vorliegen können.

Abb_6_Sauerstoffprofil_KlBreite_Juli2013

Abbildung 6: Sauerstoff-Vertikalprofil vom Juli 2013, gemessen mit der Multiparametersonde in der Mitte der Kleinen Breite.

 

Abbildung 7 zeigt ein Sauerstoff-Vertikalprofil aus der Mitte des Haddebyer Noors am Ende einer warmen und windstillen Wetterphase im Juli 2013. Geologisch gesehen ist das Haddebyer Noor ist ein Teil der Schlei, ökologisch ist es seit dem Bau des Dammes zwischen Fahrdorf und Haddeby aber eher als See anzusehen.

Im Haddebyer Noor wurde wegen des geringeren Wasseraustausches mit der inneren Schlei und einem erheblichen Aufkommen von Faulschlamm der bisher stärkste Sauerstoffschwund gemessen. Das Vertikalprofil zeigt nahe der Wasseroberfläche eine durch Photosynthese starke hohe Sauerstoffsättigung mit Gehalten von 11-14 mg/L (130-170 % Sättigung). Darunter nahmen bis in 2 Meter Tiefe die Sauerstoffgehalte stark ab, um bis zum Grund in rund 4 Metern Tiefe bei 0 mg/L zu liegen. Wiederholungsmessungen am gleichen Tag an anderer Stelle im mittleren Bereich des Haddebyer Noors bestätigten diese Situation.

Abb_7_Sauerstoffprofil_HaddebyerNoor_Juli2013

Abbildung 7: Sauerstoff-Vertikalprofil vom Juli 2013, gemessen mit der Multiparametersonde in der Mitte des Haddebyer Noors.

 

Zusammenfassend verdeutlichen die Messungen der Schüler-Gruppe der A. P. Møller Skolen, dass in der wärmeren Jahreszeit in der unteren Wassersäule in der Kleinen und Großen Breite bis etwa 0,5 m über Grund Sauerstoffgehalte auftreten können, die für verschiedene Fischarten unterhalb des Optimums der Toleranzgrenze fallen. In unmittelbarer Nähe zur Oberfläche des Faulschlamms kann weiten Bereichen der inneren Schlei extremer Sauerstoffschwund auftreten, mit fatalen Folgen für bodenlebende Fauna (z.B. Muscheln). Im Haddebyer Noor kann extremer Sauerstoffschwund sogar bis zu 2 Meter über Grund auftreten.

 

4. Messmethoden

4.1. Spektrophotometrische Nährstoffanalytik

Wasserproben werden aus 1 m Tiefe mit einem Ruttner-Wasserschöpfer der Firma Hydrobios entnommen und in gespülte 1 L Polyethylen-Flaschen abgefüllt. Die Nährstoffanalysen werden unmittelbar nach der Probenahme entweder vor Ort oder in den Laboren der A. P. Møller Skolen durchgeführt. Die Proben werden hierfür mit Hilfe eines 0,45 µm Membranfilters von Macherey-Nagel filtriert. Für die Messung der Nährstoffgehalte werden Tests von Macherey-Nagel verwendet, die auch für Brack- und Meerwasser verwendet werden können: Nanocolor Ammonium 3, Nanocolor Nitrit 2, Visocolor Nitrat Eco, Nanocolor Orthophosphat 1. Die Messungen werden spektrofotometrisch mit Rundküvetten und einem PF11 Spektrophotometer durchgeführt. Von den Nitratmessungen werden 3 mg/L wegen einer schwachen Eigenfärbung der Visocolor ECO Nitrat-Reagenzien abgezogen (diese wurden mit Hilfe von demineralisiertem Wasser und einem angesetzten 10 mg/L Nitratstandard ermittelt). Des weiteren wird vom gemessenen Nitratgehalt der Nitritgehalt abgezogen; dieser ist jedoch vernachlässigbar, da der Gehalt von Nitrat üblicherweise den des Nitrits weit übersteigt. Gehalte unter 0,2 mg/L Phosphat und 4 mg/L Nitrat (untere Nachweisgrenzen mit dem PF11) werden mit einem UV-VIS Spektrophotometer von Shimadzu (UV-1240mini), mit 10 mm oder 50 mm Spezialglasrechteckküvetten sowie eigens angelegten Standardkurven unter der Verwendung von verdünnten Phosphat- und Nitratstandards mit internationalen Referenzwerten gemessen. Verwendetes demineralisiertes Wasser zur Verdünnung wird in der Schule durch Ionenaustauscher generiert.

 

4.2. Messungen mit der WTW Multiparametersonde

Die simultanen Messungen des gelösten Sauerstoffgehalts, des pH-Wertes, des Salzgehalts, der Wassertemperatur und der Tiefe werden mit Hilfe einer Multiparametersonde der Wissenschaftlich-Technischen Werkstätten (WTW) durchgeführt. Dabei handelt es sich um die digitale Multiparametersonde (WTW MPP 930 IDS) bestückt mit mehreren IDS Sensoren. Die Sauerstoffsonde ist eine optische (also keine galvanische) Sonde. Die Tiefe wird über den Druck, der Salzgehalt über die Leitfähigkeit ermittelt. Die Daten der Multiparametersonde werden mit Hilfe des digitalen mobilen Messgerätes WTW Multi 3430 erfasst. Mit Hilfe eines auf einer Trommel aufgewickelten Kabels können Messungen bis 25 m Tiefe, also in allen Bereichen der Schlei, durchgeführt werden. Tiefenprofile werden üblicherweise in 0,5 Meter Schritten bis zur Sedimentoberfläche aufgenommen. Messungen abseits des Ufers werden von einem vor Anker liegenden Boot aus durchgeführt.

 

5. Unterstützung und Förderung

An dieser Stelle dankt die Schüler-AG „Umweltuntersuchungen Schlei“ und ihr Betreuer für die Unterstützung durch Beratung und/oder Bereitstellung finanzieller Mittel.

Anette Doorentz, Fa. Macherey-Nagel

Dr. Jens Walther, Laborbedarf Hassa

Mitarbeiter des Landesamtes für Landwirtschaft, Umwelt und ländliche Räume (LLUR)

Axel Toft-Nielsen arven for geografi an der A. P. Møller Skolen

Fond der Chemischen Industrie (FCI) im Verband der Chemischen Industrie (VCI)

 

6. Quellenverzeichnis und Literatur

Nährstoffe in Gewässern Schleswig-Holsteins. Entwicklung und Bewirtschaftungsziele (2014) Landesamt für Landwirtschaft, Umwelt und ländliche Räume des Landes Schleswig-Holstein (LLUR).

Conley et al. (2011) Hypoxia Is Increasing in the Coastal Zone of the Baltic Sea. Environmental Sci. Techn. 45, 6777-6783.

Feibicke M (2005) Konzept zur Restaurierung des Schlei-Ästuars / Concept for restoration oft he Schlei estuary. Rostock. Meeresbiolog. Beitr., Heft 14, S. 69-82. Download unter: http://www.oekologie.uni-rostock.de/fileadmin/Mathnat_Bio_Oekologie/RMB/RMB_14/RMB_14-06.pdf

Ohlendieck, U (2009) Zustand und Verbesserungspotenzial der Schlei. Eine Informations- und Planungsgrundlage für Maßnahmen zur Umsetzung der EG-Wasserrahmenrichtlinie. Im Auftrag des Landesamtes für Landwirtschaft, Umwelt und ländliche Räume des Landes Schleswig-Holstein (LLUR)

Petenati T (2008) Sauerstoffverhältnisse im bodennahen Wasser der westlichen Ostsee im September 2008. Jahresbericht des Landesamtes für Natur und Umwelt des Landes Schleswig-Holstein 2007/08.

Ripl W (1986) Restaurierung der Schlei. Bericht über ein Forschungsvorhaben. – Landesamt für Wasserhaushalt und Küsten, Kiel: D 5. 86 S.

Schriewer U (2008) Ecology of Baltic Coastal Waters. Ecological Studies. Analysis and Synthesis. Vol. 197. Springer-Verlag. Berlin Heidelberg.

Otto A und Zahn S (2008) Temperatur- und Sauerstoff-Toleranzausgewählter Wanderfischarten in der Elbe. Literaturrecherche im Auftrag des Instituts für Binnenfischerei e.V. Potsdam-Sacrow.

Flussgebietseinheit Schlei/Trave. Bericht über die Analysen nach Artikel 5 der Richtlinie 2000/60/EG (2004) Ministerium für Umwelt, Naturschutz und Landwirtschaft des Landes Schleswig-Holstein. Umweltministerium Mecklenburg Vorpommern.

Gocke K, Rheinheimer G, Schramm W (2003) Hydrographische, chemischen und mikrobiologische Untersuchungen im Längsprofil der Schlei. Schr. Naturwiss. Ver. Schlesw. Holst. Bd. 68, 31-62.

Ergebnisse langjähriger Wasseruntersuchungen in der Schlei. Eine Informations- und Planungsgrundlage (2001) Landesamt für Natur und Umwelt des Landes Schleswig-Holstein.

http://de.wikipedia.org/wiki/Haithabu_(Schiff)

http://www.schleswig-holstein.de/MELUR/DE/Service/Presse/PI/2014/0614/MELUR_140616_Taufe_Haithabu.html