Maßnahme zur Seenrestaurierung am Bärensee, Stadt Bruchköbel

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1 Institut Dr. Nowak Mayenbrook Ottersberg Tel Fax sy@limnowak.com Maßnahme zur Seenrestaurierung am Bärensee, Stadt Bruchköbel 1. Einführung Abb. 1: Das Einzugsgebiet des Bärensees - Applikationsbericht und Ergebnisse -- Ottersberg, den 11. Februar 2008 Der Bärensee bei Hanau im Main-Kinzig Kreis (Stadt Bruchköbel) wird nach LAWA Richtlinien Baggersee als ungeschichteter Kiessee bewertet. Seine Fläche umfasst 6 ha und die maximale Tiefe beträgt 3,8 m, die mittlere Tiefe liegt bei 2,63 m. Dieser See enthält somit ein Wasservolumen von m³. In der Vergangenheit wurde der Referenztrophiezustand mesotroph nie erreicht. Er ist eher als stark eutropher See zu charakterisieren. Der See liegt innerhalb der größten Campingplatzanlage des Landes Hessen und wird von der Stadt Bruchköbel betrieben. Außerdem ist er ein beliebter Bade- und Angelsee und unterliegt somit einer intensiven Nutzung (Abbildung 1). Die starke Belastung mit Nährstoffen wurde bisher mit einer externen Phosphateliminierungsanlage und das Einsetzen von Makrophyten bzw. Schwimmbeeten bekämpft. Dies führte zwar zeitweise zu einer Stabilisierung des Nährstoffgehalts im Wasser, aber intensive Blaualgenblüten konnten nicht verhindert werden (80 μg Chlorophyll-a/L im Februar 2007). Im Sediment des Bärensees lagen etwa 700 mg Phosphor/kg Trockensubstanz vor, wovon knapp 20 % biologisch verfügbar waren. Ziel der Restaurierungsmaßnahme im Bärensee war es, mit der Applikation von 11,5 Tonnen Bentophos den Phosphor in dem stark anaeroben Sediments des Bärensees festzulegen. 2. Planung der Maßnahme Am 12. und 13. Juni 2007 wurde eine Phosphatfällung mit Bentophos durchgeführt. Die Maßnahme wurde auf dem Hintergrund regelmäßiger starker Blaualgenblüten und intensiver Nutzung als Naherholungsgebiet und Badesee notwendig. Die feste Bindung des Phosphors, welcher eine limitierende Rolle als Nährstoff in Gewässern wie dem Bärensee spielt, ist insbesondere in einem Flachsee notwendig. Nach umfangreichen Voruntersuchungen des Wasser- und Sedimentkörpers des Bärensees wurde die Menge des Fällungsmittels kalkuliert. Bei den Untersuchungen stellte sich heraus, dass der größte Teil des Phosphorpools ständig für Primär- und Sekundärproduktion genutzt wurde. Der beste Zeitpunkt für eine Applikation wäre bei einer größtmöglichen Verfügbarkeit des ortho- Phosphats gewesen. Das Fällungsmittel bindet freies Phosphat. Da aber das Fällungsmittel nachhaltig wirkt, d.h. die Wirkung bleibt erhalten, konnte die Applikation, wie von der Stadt Bruchköbel erwünscht, auch zu einem anderen Zeitpunkt erfolgen. 1

2 Die Kalkulation für die notwendigee Menge Bentophos erfolgte auf Basis einer nachhaltigen und nicht bioverfügbaren Bindung des Phosphors im Sediment (Abbildung 2). Obwohl aufgrund der geringen Tiefe des Sees sich in der Wassersäule höchstens nur kleine anaerobe Zonenn entwickelten, ist das Sediment durchweg anoxisch. Selbst in den flachen sandigen Uferbereichen lagen bis nahe an der Sedimentoberfläche anaerobe Bedingungen vor. Unter den hohen Nährstoffbelastungen und dem anoxischen Milieu im Sediment wurde der Stickstoffpool durch die mikrobielle Veratmung des Nitrats soweit verringert, dass Blaualgen (Cyanobakterien) optimale Bedingungen vorfanden, in denen diese sich unter Luftstickstoff- konnten. Bei der Berechnung der einzusetzende Bentophos -Dosis im Wasserkörper lag eine P-Konzentration von Abb. 2: Phosporfraktionen im Sediment des Bärensees (nach Psenner). Der gepunktete Bereich der Säulen steht für verfügbaren Phosphor Fixierung stark vermehren 96 μg/l zugrunde, welche mit 1,5 Tonnen Bentophos gebunden werden kann. Für das Sediment wurde eine Mengee von insgesamt ca. 100 kg bioverfügbaren Phosphor ermittelt. Hierfür wurden 10 Tonnen Bentophos appliziert. 3. Durchführung der Maßnahme Am Montag, den 11. Juni 2007 wurden 11,5 Tonnen Bentophos am Bärensee angeliefert und in der Nähe des flach in den See abfallenden Strandes im Bereich des Eingangs des Campingplatzes gelagert. Die für die Applikation notwendigen Pontons wurden vor dem Campingplatz abgestellt und mit dem von der Stadt Bruchköbel zur Verfügung gestellten Radlader zum Strand transportiert. Über die Applikationsmaßnahme wurde die Stadt Bruchköbel, Wasserbehörde des Main-Kinzig-Kreises, das Gesundheitsamt und das hessische Landesamt für Umwelt und Geologie fristgerecht informiert. Für den Bärensee wurde ein Badeverbot für die Zeit der Applikation und einige Tage danach erlassen. Nach Eintreffen der Mitarbeiter des Instituts Dr. Nowak wurden die Pontons im Uferbereich des Sees verbracht und zu einer Plattform montiert. Pumpen, Mischer und Antrieb wurden installiert und für die Maßnahme am Folgetag vorbereitet. Abb. 3: Beladen des Pontons Sedimentproben entnommen und später im Labor untersucht. Währenddessen wurde die vorgesehenen Probenahmen im Bärensee durchgeführt um den Zustand unmittelbar vor der Applikation zu ermitteln. Hierfür wurde in der Seemitte in 3 m Tiefe und in Strandnähe in 1 m Tiefe eine Wasserprobee gezogen gezogen. An beiden Stellen wurden auch 2

3 Am Dienstag, den 12. Juni 2007 wurde mit der Ausbringung des Bentophos begonnen. Bentophos ist ein lanthanmodifiziertes Bentonit, welches als Granulat vorliegt. Während der Applikation wird es mit Seewasser zu einer feinen Suspension aufgeschlämmt und auf die Wasseroberfläche aufgebracht (Abbildungen 3 und 4). Es verteilt sich fein und trübt das Wasser bis zum Absinken, so dass die Sichttiefe vorübergehend abnahm. Aus diesem Grund musste der Badebetrieb für mehrere Tage eingestellt werden. Während der Absinkzeit wird verfügbares Phosphat aus der Wassersäule aufgenommen und auf dem Seeboden festgelegt. Auf dem Sediment bildet es gleichzeitig eine Sperrschicht gegen aus dem Sediment rückgelöstes Phosphat. Abb. 4: Applikation des Phosphatfällungsmittels Bei der Ausbringung wurde, wie von der Wasserbehörde vorgegeben, der 2 m tiefe Strandbereich ausgespart. Die Tiefe wurde per Echolot überwacht und die abgefahrene Strecke mittels differentieller GPS-Empfangsstation aufgezeichnet (DGPS Gerät: Trimble Pathfinder Pro XT). Ab 15 Uhr musste die Applikation aufgrund eines Unwetters abgebrochen werden. Bis dahin waren etwa 6 Tonnen Bentophos ausgebracht. Die DGPS-Aufzeichnung konnte wegen eines technischen Problems nur am ersten Tag der Anwendung aufgenommen werden (Abbildung 5). Am Mittwoch, den 13. Juni wurde die Applikation fortgesetzt und abgeschlossen. Die Sichttiefe hatte sich inzwischen seit dem Vortag auf über einen Meter verbessert. Die Gerätschaften und Pontons wurden an Land gebracht und zum Abtransport vorbereitet. Die Maßnahme wurde am Nachmittag beendet. Eine Woche später (21. Juni 2007) wurde eine weitere wie oben beschriebene Wasser- und Sedimentprobe zur Überwachung der Restaurierungsmaßnahme durchgeführt. Abb. 5: GPS-Track vom ersten Tag der Anwendung (Kartenquelle: Google Maps ) 3

4 4. Ergebnisse der begleitendenn Wasser- und Sedimentuntersuchungen Entwicklung der Phosphorkonzentration im See nach der Fällung Nach der Applikation sank der Phosphorgehalt im Seewasser innerhalb von sechs Monaten im Mittel von 83 auf 25 μg P/L um fast 70 % ab (Abbildung 6) ). 0,10 0,09 0,08 0,07 Bentophos Gesamtphosphor Phosphor [mg/l] 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0,00 Abb. 6: Entwicklung der Gesamtphosphor und ortho-phosphat-phosphor-gehalte im Seewasser Der beste Zeitpunkt für eine Applikation wäre bei einer größtmöglichen Verfügbarkeit des ortho- dass die Phosphats z.b. im April gewesen. Der ortho-phosphat-pool wird im Seee ständig umgesetzt, so Applikation zu einem Zeitpunkt durchgeführt werden musste, an dem kein ortho-phosphat vorlag. Die Bindung durch das Fällungsmittel erfolgt aber auch dann, wenn das Mittel auf dem Sediment aufgelagert ist und während des Austauschs von See- und Sedimentporenwasser freies ortho-phosphabei 130 μg/l. Sie sankenn im aufnehmen kann. Dieser Prozess benötigt aber eine längere Zeitspanne. Entwicklung der Lanthankonzentration im Seewasser Die im Seewasser nachgewiesenenn Lanthan-Gehalte lagen anfänglich Untersuchungszeitraum auf <10 μg/l ab (Abbildung 7). Trotz einiger Starkwindereignisse sind keine Resuspensionen beobachtet worden. Das heißt auch, dass sowohl Lanthan als auch Phosphat fest im Sediment abgelegt wurden. Untersuchungen zur Ökotoxizität von Lanthan-Ionen Aufgrund der Bedenken gegenüber dem Einsatz lanthanhaltiger Stoffe in Gewässern wurden im Institut ökotoxikologische Untersuchungen zur akuten Toxizität von Lanthan durchgeführt. Hierfür wurde die effektive Konzentration, in der Lanthann auf die Testorganismen toxisch wirkt, nach den Vorgaben der DIN-Normen durchgeführt. Parallel dazu wurden Messansätze mit für die entsprechenden Tests Lanthan und zusätzlich der entsprechenden Phosphatmenge gestartet. Abb. 7: Lanthangehalte im Bärenseewasser 4

5 Bacterial luminescence test (ISO ) EC50 = 37 mg La 3+ /L Toxicity test with Daphnia magna (DIN L30) EC50 = 103 mg La 3+ /L Fish egg toxicity test (DIN T6) EC50 = 150 mg La 3+ /L Zum Vergleich: Lanthan-Konzentrationen im Wasserkörper nach Anwendung mit Bentophos :~20 µg/l (Faktor 1000 niedriger) Bei Anwesenheit von Phosphat ist keine toxische Wirkung nachweisbar. Nach Bildung von Lanthanphosphat ist dieses nicht mehr bioverfügbar. Abb. 8: Dosis-Wirkungsbeziehungen von Lanthan gegenüber dem jeweiligen Testorganismus Tab. 1: Fischei-Test (nach DIN Teil 6, modifiziert als Kontakt -Test) Bentophos /Kavität [mg] ph-wert O2-Gehalt [mg/l] koagulierte Eier (N) keine Somiten angelegt (N) Schwanz nicht vom Dotter abgelöst (N) Herzschlag nicht feststellbar (N) Summe der toten Embryonen (%) 5 7 / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / 0 interne Kontrolle 6,8 9,5 / / / / 0 externe Kontrolle 6,8 11,7 9 / / / 9 Erläuterung: externe Kontrolle: 3,7 mg/l 3,4-Dichloanilin Lösung, N=Anzahl Ergebnisse: Die effektiven Konzentrationen gegenüber den Testorganismen (EC 50 ) lagen in den Untersuchungen mindestens 1000-fach höher als die im Seewasser des Bärensees jemals gemessene Lanthanmenge (Abbildung 8). Mit Zugabe von Phosphat, welches in der entsprechenden Menge im Silbersee vorlag, konnte keine toxische Wirkung nachgewiesen werden. Der modifizierte Fischeitest belegt, dass selbst der direkte Kontakt mit einer bis zu vierfach überhöhten Menge Bentophos keine Einflüsse auf empfindliche Wasserorganismen hat (Tabelle 1). Nach der Bindung mit Phosphat ist das Lanthan nicht bioverfügbar. Die eingesetzte Menge Lanthanionen hat keine toxische Auswirkung auf die Organismen im See. 5

6 Sichttiefe [m] 0-0,5-1 -1,5-2 -2,5-3 -3,5 Bentophos Abb. 9: Sichttiefe, Algenblüte (hellgrün) und Klarwasserstadium (hellblau) Abb. 10: Phosphor- und Stickstoffpool Abb. 11: Chlorophyll a und N:P-Verhältnis Bewertung der bisherigen Ergebnisse Die Ergebnisse aus den bisherigen Untersuchungenn nach der Bentophos- ein Applikation ergeben insgesamt positives Bild über die Entwicklung im Bärensee. Bei den Sichttiefen deutet sich eine Verbesserung an (Abbildung 9). Obwohl Algenblüten diesee kurzfristig verringert haben, ist bei einer gleichzeitigen Abnahme der Phosphorgehaltee keine Blüte gewachsen, die Aufrahmungen in den Uferregionen verursacht hat. Die Algenblüte im Juli und Oktober wurden durch Kieselalgen verursacht. Ortho-Phosphat-- der Nachweisgrenze geblieben und der Gesamt-Phosphor- Konzentration verringerten sich trotz Konzentrationen sind unterhalb Erwärmung der Wassersäulee und anoxischen Bedingungen im Sediment um 40 μg/l. Das heißt die P- Rücklösung aus dem Sediment konnte in dieser Phase bis jetzt vollständig unterbunden werden. Die Applikation erfolgte nach dem Klarwasserstadium, d.h. Zooplanktonorganismen haben die Phytoplanktonbiomasse reduziert. Daher waren eine größere Sichttiefe und eine leichtee Abnahme des Phosphorgehalts gemessen worden (Abbildung 10). Das trotz kleinerer Blüten des N:P-Verhältnis anstieg, gibt Hoffnung, dass eine Veränderung in der Zusammensetzung der Phytoplanktonpopulation dauerhaft festgelegt werden kann (Abbildung 11). Zwar konnte eine Blaualgenbüte auch dieses Jahr nicht ganz verhindert werden, aber diese fiel wesentlich kleiner aus als in den Vorjahren. Der Badebetrieb musste nicht eingeschränkt werden. Obwohl das Jahr wesentlich kühler als das Jahr davor war und somit schwer vergleichbar, sind wir bisher aber mit der Situation zufrieden. Anders als im Vorjahr (2006) herrschten im Frühjahr sehr hohe Durchschnittstemperaturen, welche die Wachstumsprozesse im See schon früh beschleunigten. Im Februar

7 entwickelte sich eine Blaualgenblüte mit fast 80 μg Chlorophyll a/l. Im Jahr 2008 sollte die Situation im See weiter beobachtet werden. Auch im Sommer 2006 kam es direkt über dem Sediment des Sees zu sauerstofffreie Bedingungen. Dieser Zustand wird sich auch in Zukunft nicht vermeiden lassen. Die Sedimentbakterien verbrauchen beim Abbau organischen Materials zunächst den Sauerstoff. Danach schalten sie ihre Atmungsprozesse auf Nitratnutzung um. Daher verringert sich der Stickstoffpool im Seewasser (Abbildung 10), was wiederum dazu führt, dass z.b. Grünund Kieselalgen nicht mehr wachsen können. Blaualgen dagegen können ihren Bedarf über den Luftstickstoff ergänzen. Sie sind von dem Stickstoff im Wasser, vorliegend als Ammonium und Nitrat, unabhängig. Daher haben diese unter diesen Bedingungen enorme Vorteile und können massenhafte Blüten ausbilden. Es ist daher wichtig, den Phosphorpool weiterhin zu kontrollieren. Wird dieser kleiner, ist auch der mikrobielle Abbau organischer Substanz geringer, was dazu führt, dass die sauerstofffreien Zeiträume kürzer werden und sich Bedingungen für Blaualgenwachstum verschlechtern. Anzeichen dafür gibt es schon in diesem Jahr. Das bedeutet, dass die mikrobielle Sauerstoffzehrung im Sediment ist dieses Jahr deutlich kleiner ausgefallen ist. Das kann nur eintreten, wenn die Nährstoffressourcen wie Phosphor stark limitiert sind. 7