Trophie: OECD-Grenzen und LAWA-Index
Trophie bezeichnet die Nährstoffversorgung und damit die Produktivität eines Gewässers. Die OECD hat 1982 feste Klassengrenzen veröffentlicht, die bis heute die internationale Verständigung tragen.1 Sie beruhen auf drei Größen, die in jedem Messprogramm stehen: Gesamtphosphor, Chlorophyll-a als Maß für die Algenbiomasse und Sichttiefe.
Klassengrenzen nach OECD (1982), Jahresmittelwerte| Stufe | Gesamtphosphor | Chlorophyll-a | Sichttiefe |
|---|
| oligotroph | unter 10 µg/l | unter 2,5 µg/l | über 6 m |
| mesotroph | 10 bis 35 µg/l | 2,5 bis 8 µg/l | 3 bis 6 m |
| eutroph | 35 bis 100 µg/l | 8 bis 25 µg/l | 1,5 bis 3 m |
| hypertroph | über 100 µg/l | über 25 µg/l | unter 1,5 m |
In Deutschland bewertet die Bund/Länder-Arbeitsgemeinschaft Wasser Seen nach dem Trophie-Index (LAWA 2014).2 Er verrechnet dieselben drei Größen seetypspezifisch und unterscheidet acht Klassen von oligotroph bis hypertroph, darunter zwei polytrophe Stufen, die im OECD-Schema fehlen. Die Animation folgt den vier Stufen von oligotroph bis hypertroph nach dem OECD-Schema, das darunter noch eine ultra-oligotrophe Klasse kennt, weil es international vergleichbar ist und sich seine Grenzen direkt in Modellwerte übersetzen lassen.
Die Sichttiefe ist von den drei Größen die älteste: eine weiße Scheibe an einer Leine, abgesenkt, bis sie verschwindet. Carlson baute 1977 seinen Trophic State Index darauf auf, weil die Sichttiefe überall und ohne Messtechnik verfügbar ist.3 Sie ist ein Summenmaß für Algen, Trübstoffe und gelöste Huminstoffe4 und deshalb ein robuster, aber kein schneller Indikator: Sie zeigt an, was im Wasser bereits schwebt.
Phosphor ist der Hebel
Dass Phosphor und nicht Stickstoff oder Kohlenstoff das Algenwachstum in Seen begrenzt, ist seit einem Freilandexperiment in den kanadischen Experimental Lakes belegt. Schindler teilte Anfang der 1970er-Jahre den See 226 mit einer Kunststoffwand: Die eine Hälfte erhielt Kohlenstoff und Stickstoff, die andere zusätzlich Phosphor. Nur die Phosphor-Hälfte entwickelte eine Cyanobakterienblüte.5 Seitdem zielen Eutrophierungsstrategien zuerst auf Phosphor, vom Phosphatverzicht in Waschmitteln bis zur Phosphorfällung in Kläranlagen.4
Phosphor erreicht einen See aus dem Einzugsgebiet: über Abschwemmung von gedüngten Flächen, über Erosion, Kläranlagen, Regenwasserkanäle und Drainagen. Ein Teil davon wird von Algen aufgenommen, sinkt mit ihnen ab und sammelt sich im Sediment. Dort ist er nicht weg, sondern gespeichert. Wie fest, entscheidet der Sauerstoff.
Die Kaskade: Schichtung, Zehrung, Rücklösung
Im Sommer schichtet sich ein ausreichend tiefer See: Oben liegt das warme, durchmischte Epilimnion, unten das kalte Hypolimnion, dazwischen die Sprungschicht. Über Monate findet zwischen beiden kaum Austausch statt. Das Tiefenwasser erhält keinen Sauerstoff mehr, weder aus der Luft noch aus der Photosynthese, die im Dunkeln nicht stattfindet. Alles, was von oben absinkt, wird am Grund von Bakterien abgebaut, und dieser Abbau zehrt Sauerstoff. Je mehr Algen oben wachsen, desto mehr Biomasse sinkt ab, desto schneller ist der Sauerstoff in der Tiefe verbraucht.
Der entscheidende Schritt spielt sich an der Grenze zwischen Sediment und Wasser ab. Mortimer beschrieb ihn 1941 am Esthwaite Water im englischen Lake District.6 Solange am Sediment Sauerstoff vorhanden ist, liegt Eisen als dreiwertiges Oxid vor und hält Phosphat gebunden. Fällt der Sauerstoff gegen null, wird es zur zweiwertigen, löslichen Form reduziert, die Bindung löst sich, und Phosphat geht ins Wasser. Die Fachsprache nennt das interne Belastung oder Phosphatrücklösung.
Mit der Herbstzirkulation wird der freigesetzte Phosphor in der gesamten Wassersäule verteilt und steht im folgenden Frühjahr der nächsten Algengeneration zur Verfügung. Mehr Algen, mehr absinkende Biomasse, früher einsetzende und länger anhaltende Anoxie, mehr Rücklösung. Das ist die Rückkopplung, die aus einem linearen Nährstoffproblem eine Kaskade macht. In flachen Seen kann die sommerliche Freisetzung aus dem Sediment den Eintrag von außen übertreffen.7
Zwei Mechanismen führen zu Fischsterben, und sie sind zu unterscheiden.4 In tiefen Seen verlieren kaltwasserliebende Arten im Sommer ihren Rückzugsraum, weil das Hypolimnion sauerstofffrei wird. In flachen, produktiven Seen bricht der Sauerstoff in der gesamten Wassersäule ein, wenn in warmen Nächten Atmung und Abbau weiterlaufen, aber keine Photosynthese. Beides hat dieselbe Ursache, zeigt sich aber an anderen Orten und zu anderen Zeiten, und beides verfehlt eine Stichprobe am Vormittag.
Ab der eutrophen Stufe kommt für Badegewässer und Trinkwasserreservoire die Toxinfrage dazu. Viele Cyanobakterien bilden Microcystine. Die WHO nennt dafür 1 µg/l als lebenslangen Leitwert im Trinkwasser und 24 µg/l für Badegewässer;8 die Trinkwasserverordnung 2023 setzt für Microcystin-LR einen Grenzwert von 1 µg/l, gültig ab dem 12. Januar 2026.9
Warum Reaktion zu spät kommt: zwei stabile Zustände
Die Vorstellung, ein See reagiere proportional auf seine Nährstofffracht, ist für flache Seen seit den 1990er-Jahren widerlegt. Scheffer u. a. zeigten, dass bei derselben Nährstofffracht zwei alternative Zustände stabil sein können.10 Der eine ist klar, mit Unterwasserpflanzen, die das Sediment festhalten, Nährstoffe binden und dem Zooplankton Schutz bieten, das die Algen frisst. Der andere ist trüb: Phytoplankton nimmt den Pflanzen das Licht, Fische dezimieren das Zooplankton, und das ungeschützte Sediment wird bei jedem Wind aufgewirbelt. Jeder der beiden Zustände stabilisiert sich selbst.
Der Übergang zwischen ihnen ist kein Regler, sondern ein Kipppunkt mit Hysterese: Die Nährstofffracht, bei der ein klarer See trüb wird, liegt deutlich über der Fracht, bei der ein trüber See wieder klar wird.11 Wer den Eintrag auf den Wert von vor dem Kippen zurückführt, bekommt den alten Zustand nicht zurück. Er muss weiter darunter, und er muss warten.
Wie lange, zeigt die Auswertung von 35 Seen in Europa und Nordamerika, in denen der externe Phosphoreintrag deutlich gesenkt wurde: Der Phosphorgehalt des Wassers erreichte in den meisten Fällen erst nach 10 bis 15 Jahren ein neues Gleichgewicht, weil das Sediment so lange nachlieferte; die biologische Erholung folgte mit weiterer Verzögerung.12 In dieser Zeit bleiben Gewässerunterhaltern nur Eingriffe in den See selbst: Phosphatfällung, Belüftung des Tiefenwassers, Sedimententnahme, Biomanipulation. Jeder davon arbeitet gegen ein System, das seinen Zustand verteidigt.
Die Erwärmung verschiebt die Schwellen
Die Kaskade läuft heute unter anderen Randbedingungen als in den Jahrzehnten, in denen die Klassengrenzen entstanden. Eine Auswertung von 45.148 Sauerstoff- und Temperaturprofilen aus 393 Seen der gemäßigten Breiten zeigt für die Zeit seit 1980 einen Rückgang des gelösten Sauerstoffs um 5,5 % im Oberflächenwasser und um 18,6 % im Tiefenwasser.13 An der Oberfläche erklärt sich der Verlust vor allem aus der geringeren Löslichkeit in wärmerem Wasser. In der Tiefe hängt er mit stärkerer und länger anhaltender Schichtung und mit abnehmender Wasserklarheit zusammen, also genau mit den Größen, die die Rücklösung steuern.
Wärmeres Wasser begünstigt außerdem Cyanobakterien gegenüber anderen Algengruppen: Sie wachsen bei hohen Temperaturen schneller, regulieren ihren Auftrieb und bilden an ruhigen, warmen Tagen die Oberflächenteppiche, die Badeverbote auslösen.14 Ein See, der bei gleicher Nährstofffracht vor dreißig Jahren mesotroph stabil war, kann heute eutroph sein, ohne dass sich im Einzugsgebiet etwas geändert hat.
Treibhausgas: der Faktor sechs, hergeleitet
Ein gekippter See ist nicht nur ein lokales Problem. Im sauerstofffreien Sediment entsteht aus der absinkenden Biomasse Methan, das als Blasen oder gelöst an die Oberfläche gelangt. DelSontro, Beaulieu und Downing haben 2018 den bis dahin größten Datensatz zu Treibhausgasflüssen aus Seen und Stauseen zusammengeführt und gezeigt, dass die Emissionen mit Größe und Trophie der Gewässer kovariieren.15 Hochgerechnet emittieren Seen und Stauseen weltweit 1,25 bis 2,30 Gt Kohlenstoff als CO₂-Äquivalent pro Jahr, nahezu 20 % der fossilen CO₂-Emissionen; rund drei Viertel dieser Klimawirkung entfallen auf Methan.
Der Faktor sechs stammt nicht aus einer Messung an einem bestimmten See, sondern aus der Regression dieser Studie: Die Methanemission wächst mit dem Chlorophyll-a nach log₁₀(CH₄) = 0,778 · log₁₀(Chl-a) + 0,940, mit der Emission in mg CH₄-C je m² und Tag sowie Chlorophyll-a in µg/l. Zwischen der oligotrophen und der hypertrophen Klassengrenze der OECD, 2,5 und 25 µg/l, liegt eine Zehnerpotenz Chlorophyll-a, und 100,778 ist 6,0. Der Modellsee der Animation reicht mit 1,5 und 40 µg/l tiefer in beide Klassen hinein; für ihn ergibt dieselbe Regression rund das Dreizehnfache, und so zeigt es die Anzeige. Die Streuung um diese Gerade ist erheblich. Der Faktor beschreibt einen Trend über viele Seen, nicht die Bilanz eines einzelnen.
Dieselben Autoren haben die Rechnung ein Jahr später in die Zukunft verlängert: Nimmt die Eutrophierung der Seen im laufenden Jahrhundert in dem Maß zu, das Bevölkerungswachstum, Düngung und Erwärmung erwarten lassen, steigen ihre Methanemissionen um 30 bis 90 %.16 Zwei Befunde aus dem Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei, das am Stechlinsee forscht, verschieben das Bild noch einmal: Methan entsteht auch im sauerstoffreichen Oberflächenwasser klarer Seen,17 und Cyanobakterien produzieren es selbst, während sie Photosynthese betreiben.18 Auch ein klarer See ist gegenüber der Atmosphäre keine CO₂-Senke; die meisten Seen geben netto CO₂ ab.19 Der Unterschied zum gekippten See liegt im Methan, und der ist groß.
Was das für die Messung heißt
Alles, was diese Kaskade antreibt, passiert dort, wo eine Stichprobe von der Oberfläche nicht hinkommt, und in Zeiträumen, die ein Messtermin im Monat nicht auflöst. Der Sauerstoff im Hypolimnion sinkt über Wochen, die Rücklösung setzt ein, wenn er nahe null ist, und beides bleibt an der Oberfläche unsichtbar, bis die Herbstzirkulation den Phosphor nach oben bringt. Wer nur im Sommer an der Oberfläche misst, sieht den Zustand, nicht die Richtung.
Drei Messgrößen tragen die Vorwarnung: das Sauerstoffprofil über die Tiefe, das zeigt, wie weit die Zehrung fortgeschritten ist; das Phosphat im Tiefenwasser, das die Rücklösung direkt belegt; und Chlorophyll-a mit Phycocyanin an der Oberfläche, die Algen- und Cyanobakterienbiomasse unterscheiden. Die WAMO 600 fährt ein Sondenpaket durch die gesamte Wassersäule bis 100 m Tiefe und zieht aus derselben Schicht Schöpfproben für das Labor. Sichttiefe, Trübung und Chlorophyll-a lassen sich für die Fläche eines ganzen Sees zusätzlich aus Sentinel-2-Daten ableiten; das leistet SWIM.
Welche Maßnahme zu welcher Stufe passt, hängt vom See, vom Einzugsgebiet und davon ab, ob der Kipppunkt schon überschritten ist. Der Maßnahmenkatalog ordnet 18 Verfahren nach Wirkung und Zeitrahmen, das Handlungsfeld Gewässersanierung beschreibt den Weg zurück. Die Entscheidung bleibt bei der zuständigen Stelle. Die Daten, auf denen sie beruht, sollten aus der Tiefe kommen und lückenlos sein.
