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Das Phytoplankton im Niederrhein
Das LANUV NRW überwacht im Rahmen seiner Messprogramme den nordrhein-westfälischen Rheinabschnitt sowie die Mündungen der größeren Nebenflüsse Sieg, Wupper, Erft, Ruhr, Emscher und Lippe.
Die Fließstrecke des Rheins innerhalb Nordrhein-Westfalens beträgt 225 km. Entlang seines Laufes befinden sich mehrere Messstationen, an denen Rheinwasser regelmäßig chemisch-physikalisch und biologisch untersucht wird. Die gewonnenen Daten dienen der Erfassung kurz- und langfristiger Veränderungen des Ökosystems Rhein.
Im biologischen Messprogramm werden die Lebensgemeinschaften des Rheins untersucht. Sie werden wesentlich durch die Wasserqualität und die Vielfalt der morphologischen Strukturen geprägt. Von großer Bedeutung ist auch die Strömung des Wassers. Das Leben spielt sich sowohl im strömenden Wasser ab als auch auf der Sohle und am Ufer. Die Besiedlung mit Tieren und Pflanzen spiegelt die Gewässergüte des Stromes wider und gibt Auskunft über seinen ökologischen Gesamtzustand. Zur Ermittlung der Gewässergüte werden daher biologische Untersuchungen durchgeführt.
Im Rahmen der Trendüberwachung wird jährlich die Lebensgemeinschaft des Makrozoobenthos ("Fischnährtiere") der Rheinufer an 30 Stellen untersucht und das Ergebnis als Gewässergüteklassifikation des Rheins in Nordrhein-Westfalen im Gewässergütebericht dargestellt.
Die bakteriologische Überwachung umfasst die Bestimmung der Koloniezahl und der coliformen Keime bei jährlich 13 Probenahmen an 4 Messstellen. Daneben erfolgt wöchentlich die Messung des Chlorophyllgehaltes an vier Messstellen im Rhein und an den Mündungen der vier Nebenflüssen Sieg, Wupper, Ruhr und Lippe. Die pflanzlichen und tierischen Planktonorganismen, die im freien Wasser eines Gewässers leben, werden einmal wöchentlich an der Messstelle Kleve-Bimmen nach Art und Anzahl bestimmt.
Dem Phytoplankton (im Wasser schwebende Mikroalgen) kommt dabei besondere Bedeutung zu, da es die Basis des Nahrungsnetzes darstellt, und seine Menge und Zusammensetzung zudem Aussagen über die Trophie eines Gewässers zulässt.
Für die 225 km Fließstrecke innerhalb Nordrhein-Westfalens beträgt die Fließzeit des Rheins bei mittlerem Wasserstand ca. 2 Tage. Innerhalb dieses Zeitraums vermehrt sich das Phytoplankton beträchtlich. Dieser Zuwachs kann z. B. durch die Messung des Chlorophyll a - Gehaltes des Phytoplanktons bestimmt werden.
Darüber gibt das folgenden Diagramm Auskunft. Darin sind die Chlorophyll a - Gehalte von den Messstellen Bad Honnef (Strom-Kilometer 640), Düsseldorf-Flehe (Strom-Kilometer 732), Duisburg-Walsum (Strom-Kilometer 793) und Kleve-Bimmen (Strom-Kilometer 865) im Jahr 2004 dargestellt. Deutlich wird der starke Zuwachs an Chlorophyll a während der Monate März bis August und der kontinuierliche 0Anstieg auf der Fließstrecke.
Wie sehr die Entwicklung des Phytoplanktons vom Licht und vom Abflussgeschehen abhängig ist, ist wird aus der nächsten Abbildung ersichtlich, die den Jahresgang bei Kleve-Bimmen im Jahre 2004 zeigt. Die Maxima des Algenwachstums gehen einher mit Spitzenwerten der Sonneneinstrahlung (Globalstrahlung) und gleichzeitig niedrigem Wasserstand. Anderseits bedingt ein Anstieg des Abflusses einen Rückgang der Phytoplankton-Zellzahlen durch Auswaschung und verkürzter Verweildauer infolge der stärkeren Strömung.
Entwicklung des Phytoplanktons im Jahresgang
Zusätzlich zur Bestimmung der Biomasse durch die Chlorophyll-Messung sind zur trophischen Beurteilung eines Gewässers auch Angaben über die Zusammensetzung des Phytoplanktons notwendig. Voraussetzung dafür ist eine mikroskopische Analyse. Zur Bestimmung der Zellzahl werden für jede gefundene Algenart die Zellen gezählt. Genauere Angaben über die Menge und Bedeutung der einzelnen Algengruppen liefert die Bestimmung des Plankton-Biovolumens.
Zusammensetzung der Phytoplanktonpopulation im Jahresgang
In seine Berechnung geht neben der Zellzahl auch die Zellgröße ein. Dafür werden die Zellen der einzelnen Algenarten vermessen.
Die obige Abbildung zeigt die prozentualen Anteile der Algenklassen am Phytoplankton-Biovolumen im Laufe des Jahres 2004. Es fällt der überwiegende Anteil der Kieselalgen (Diatomeae) auf, ein Ergebnis, das denen vorheriger Jahre entspricht. Grünalgen (Chlorophyceae) treten im Niederrhein in großer Artenzahl auf. Doch wegen ihrer geringen Zellgröße und niedrigen Individuenzahlen war ihr Anteil am Biovolumen gering. Blaualgen (Cyanobacteria) wurden überwiegend während der kälteren Jahreszeit gefunden. Es handelte sich dabei fast ausschließlich um fädige Formen. Besonders im Frühjahr und Herbst traten vermehrt Schlundflagellaten (Cryptophyceae) auf. Auch vermehrt im Frühjahr wurden verschiedene Arten der Goldalgen (Chrysophyceae) festgestellt. Sie machen während dieses Zeitraums einen großen Anteil innerhalb der "übrigen Algenkassen" aus.
Der hohe Zuwachs der Kieselalgen im Sommer spiegelt sich im Rückgang des gelösten Siliziumdioxids (Kieselsäure) wider, das die Kieselalgen zum Bau ihrer Schalen verwenden (Abbildung unten).
Entwicklung der Kieselalgenpopulation im Jahresgang
Zwischen den Messwerten Phytoplankton-Volumen und Chlorophyll a besteht eine enge Korrelation.
Gegenüberstellung Phytoplankton-Volumen und Chlorophyll-a im Jahresgang
Die hohen Phytoplankton-Volumina im Frühsommer werden u. a. durch die beiden Ketten bildenden Kieselalgenarten Skeletonema potamos und S. subsalsum verursacht.
Die rasterelektronenmikroskopische Aufnahme zeigt die beiden Kieselalgenarten Skeletonema potamos (1) und S. subsalsum (2) und eine Zelle der Gattung Cyclotella (3).
Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme R. KLEE
Neben diesen Arten, die zu den zentrischen Kieselalgen gehören, treten besonders im Frühjahr stabförmige (pennate) Formen auf, z. B. Asterionella formosa, die sternförmige Kolonien bildet.
Grünalgen sind während des ganzen Jahres vertreten. Unter ihnen befinden sich viele ansprechende Formen, z. B. die Art Pediastrum tetras, die überwiegend im Sommer auftritt.
Schlundflagellaten (Cryptomonaden) sind begeißelt und damit zur Bewegung fähig.
Zu den typischen Vertretern des Frühjahrsplanktons gehören die Goldalgen, hier eine Zelle der Gattung Mallomonas, ebenfalls eine mobile Form.
Der Chlorophyll a - Gehalt im Niederrhein weist in den letzten 20 Jahren deutliche Schwankungen auf.
Dies zeigt die Darstellung der Mittelwerte während der Vegetationsperiode von Anfang März bis Ende Oktober an der Messstelle Kleve-Bimmen. Im Verlaufe der 80er Jahre nahmen die Chlorophyll a - Gehalte zunächst deutlich ab. Diese Entwicklung lief parallel mit den im Zuge der verbesserten Kläranlagentechnik sinkenden Nährstoffgehalten.
Chlorophyll a - und Nährstoffgehalt
Trotz vergleichsweise geringer Nährstoffkonzentrationen stiegen Ende der 80er Jahre die Chlorophyll a - Gehalte wieder erheblich an. Während der 90er Jahre setzte sich der abnehmende Trend der Phytoplanktonkonzentrationen fort.
Die Schwankungen der Chlorophyll a - Gehalte sind nicht allein durch den Rückgang des Pflanzennährstoffs Phosphat im Rhein zu erklären, denn auch während der Planktonmaxima bleiben noch genügend Phosphat und Stickstoff als Nährstoffe übrig, um ein weiteres Algenwachstum zuzulassen. Erheblichen Einfluss auf die Planktonkonzentration und damit auf den Chlorophyll a - Gehalt hat vor allem das Abflussgeschehen (s.o.). Inwieweit das Zooplankton und die inzwischen massenhaft vorhandenen Muscheln durch ihre filtrierende Nahrungsaufnahme die Phytoplanktondichte im Rhein beeinflussen, kann z. Zt. noch nicht abgeschätzt werden.
Auch im Mündungsbereich der Rheinzuflüsse Sieg, Wupper, Ruhr und Lippe wird wöchentlich der Chlorophyll a - Gehalt gemessen. Die Konzentrationen wiesen im Sommer der letzten Jahre einzelne, kurzfristige Maxima auf. Im Jahre 2004 lagen die Jahresmittelwerte ähnlich wie im Vorjahren.
Große Zuflüsse zum Rhein können das Phytoplankton des Stromes quantitativ und qualitativ wesentlich beeinflussen. Die nordrhein-westfälischen Nebenflüsse weisen dafür jedoch einen zu geringen Abfluss auf. Ihr Zufluss könnte man als "Animpfung" des Rheinwassers interpretieren.
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