Bestimmung der biologischen und chemischen Gewässergüte

Berechnung des Saprobeinindexes

Bei der Untersuchung einer Gewässerstelle wird den gefundenen Indikatororganismen eine Häufigkeitsstufe h zugeordnet, die durch eine Zahl zwischen 1 (Einzelfund) und 7 (massenhaftes Auftreten) ausgedrückt wird.

Häufigkeitsstufe	Anzahl der gefundenen Organismen
1 = Einzelfund	1- 2 Tiere
2 = wenig	3-10 Tiere
3 = wenig bis mittel	11-30 Tiere
4 = mittel	31-100 Tiere
5 = mittel bis viel	101-300 Tiere
6 = viel	301-1000 Tiere
7 = massenhaft	über 1000 Tiere

Der Saprobienindex einer Meßstelle ergibt sich dann als gewichtetes arithmetisches Mittel der Saprobiewerte s aller vorkommenden Zeigerorganismen mit dem Produkt aus h und g als Wichtungsfaktor:

Ein Taxon (Mehrzahl: Taxa) ist die in der Stichprobe gefundene Art/Gattung/Familie.

Zur Beurteilung der Gültigkeit des errechneten Saprobienindexes ist das Streuungsmaß SM nach folgender Formel zu ermitteln:

Falls der Wert für das Streuungsmaß SM > 0,2 ist, wird das Ergebnis für den Saprobienindex zu stark von vagabundieren Organismen beeinflusst und ist daher nicht aussagekräftig. Für die Beurteilung der Gewässergüte an der Untersuchungsstelle sind in diesem Fall weitergehende Auswertungen erforderlich.

Schließlich muss auch die Summe der Häufigkeitswerte der beobachteten Arten größer oder gleich 15 sein, d.h. es muss gelten

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Quellen:

• DIN 38410-1:2004-10
• www.fliessgewaesserbewertung.de
• Jürgen Gaul: Gewässerkunde, Gewässergüte, Gewässerdaten 1999-2003

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Definitionen (aus DIN 38410-1:2004-10):

• Indikatororganismen: Organismen, die auf Grund ihrer artspezifischen Umweltansprüche durch ihr Vorhandensein, insbesondere bei zahlreichem Auftreten, Rückschlüsse auf bestimmte Umweltbedingungen zulassen, z. B. des Saprobiegrades oder der Salinität [DIN 4049-2:1990-04]
• Saprobier (Plural: Saprobien): Taxon, der auf Grund seiner saprobiellen Valenz geeignet ist, bestimmte Saprobiebereiche anzuzeigen
• Indikationsgewicht (G oder g): dimensionslose Zahl 1, 2, 4, 8, 16 zur Kennzeichnung der zunehmenden Indikatorqualität der einzelnen Saprobien auf der Basis ihrer enger werdenden saprobiellen Valenz
• Abundanz: Individuendichte (bzw. Größe und Anzahl der Kolonien) eines Taxons an der jeweiligen Untersuchungsstelle
• Abundanzziffer (A oder h = Häufigkeit): ganze Zahl von 1 (Einzelfund) bis 7 (Massenvorkommen) zur Kennzeichnung von Individuendichten eines Taxons
• Saprobienindex (S): zahlenmäßige Angabe zur Beschreibung des Saprobiebereiches mit Hilfe des Saprobiensystems. Der Saprobienindex wird in Zahlenwerten von 1,0 bis 4,0 angegeben. [DIN 4049-2:1990-04].
• Saprobiewert (s): Zahl von 1,0 bis 4,0, die den einzelnen Saprobien entsprechend ihrer Indikatoreigenschaften für einzelne Saprobiebereiche zugeordnet ist. Dabei kennzeichnet z. B. s = 1,1 einen Indikatororganismus für Oligosaprobie, s = 3,8 einen Indikatororganismus für Polysaprobie.
• Taxon (Plural: Taxa): Gruppe von Organismen, die als Kategorie auf einer Stufe der hierarchischen biologischen Klassifikation gewertet wird. Die hierarchische biologische Klassifikation kann z. B. Familie, Gattung, Art sein.

Die Biologischen Gewässergüteklassen nach LAWA

1976 wurden durch die Länder-Arbeitsgemeinschaft Wasser (LAWA) in der Schrift „Die Gewässergütekarte der Bundesrepublik Deutschland“ erstmalig bundesweit einheitliche Kriterien für die Beurteilung der Güte von Fließgewässern festgelegt und Gewässergüteklassen definiert.

1987 erschien die DIN-Norm 38 410 Teil 1: Allgemeine Hinweise, Planung und Durchführung von Fließgewässeruntersuchungen.

Die Grundlagen für die Festlegung der Biologischen Gewässergüteklassen

Entscheidend ist die Erkenntnis, dass die Zusammensetzung jeder Biozönose in einem Fließgewässer von verschiedenen Faktoren abhängt, z.B.

• physikalischen und chemischen Faktoren,
• dem Abflussgeschehen,
• den klimatologischen Eigenschaften des Einzugsgebietes,
• den geologischen Eigenschaften des Einzugsgebietes,
• den morphologischen Eigenschaften des Lebensraumes.

Wesentlich prägende Merkmale sind

• die Art und Konzentration der Wasserinhaltsstoffe,
• die Beschaffenheit und Struktur der Gewässersohle und des Ufers,
• die Abfluss- und Strömungsverhältnisse,
• die Temperatur- und Lichtverhältnisse,
• die Nutzung des Umfeldes.

Die meisten Fließgewässer in dicht besiedelten Räumen unterliegen mehr oder weniger intensiven menschlichen Nutzungen.

Diese verursachen eine Vielzahl von Belastungen, die die Beschaffenheit der Fließgewässer und ihrer Lebensgemeinschaften beeinträchtigen:

• Stoffliche Belastungen entstehen u. a. durch
  • die Einleitung von Abwässern aus kommunalen und industriellen Kläranlagen,
  • Einleitungen von salzhaltigen Sümpfungswässern aus dem Bergbau,
  • durch Niederschlags- und Mischwasserabschläge.
• Diffuse Belastungen ergeben sich durch den Eintrag z.B. von
  • Pestiziden und Düngemitteln aus angrenzenden landwirtschaftlichen Flächen
  • Schadstoffen aus Altlasten.
• Die Versauerung bewirkt eine Verarmung der Besiedlung durch
  • die Kombination von pH-Wert-Erniedrigung und
  • Freisetzung von Metallen in toxischen Konzentrationen (z. B. Aluminium, Schwermetalle).
• Hydraulische und thermische Belastung z. B. durch Regenüberläufe und durch Einleiten von Kühlwasser beeinträchtigt die Biozönose.
• Zusätzlich verhindert ein naturferner Gewässerzustand als Folge von Ausbau und Unterhaltung die natürliche Ausprägung gewässertypischer Lebensgemeinschaften.
• Die Zufuhr von Pflanzennährstoffen und organischer Substanz verändert die Nahrungsbasis im Ökosystem Fließgewässer.

Durch diese Belastungsquellen gelangen u. a. biologisch abbaubare organische Stoffe in die Fließgewässer. Dort bewirken sie

• eine Verringerung des Sauerstoffgehaltes infolge mikrobieller Oxidationsprozesse,
• Erhöhung des Nährsalzgehaltes als Ergebnis der mikrobiellen Oxidationsprozesse,
• durch verstärkte Pflanzenproduktion (Eutrophierung) eine Umstrukturierung der Lebensgemeinschaft.

Das Saprobiensystem

Es wurde zu Beginn dieses Jahrhunderts von Kolkwitz und Marsson entwickelt und von KOLKWITZ (1950) noch einmal zusammenfassend dargestellt. Ausschlaggebend waren die Beobachtung der Selbstreinigung von Fließgewässern und Erfahrungen früherer Autoren bei der biologischen Gewässeranalyse.

Es ist ein empirisches Verfahren zur Klassifizierung der Intensität der Belastung und Verunreinigung von Fließgewässern durch biologisch leicht abbaubare organische Substanz mit Hilfe von heterotrophen, benthischen Organismen (Makrozoobenthos). Als Indikatoren werden dabei Indikatororganismen (Saprobien) verwendet. Als Saprobie (griech. sapros = faulig) wird die Intensität des heterotrophen Abbaus toter organischer Substanz in einem Gewässer bezeichnet.

Nach dem System von Kolkwitz und Marsson werden vier Intensitäten der Gewässerbelastung (unbelastet bis übermäßig verschmutzt) unterschieden und die zugehörigen, empirisch ermittelten Lebensgemeinschaften beschrieben. LIEBMANN (1962) hat die vier Saprobiestufen als Güteklassen I bis IV bezeichnet und ihnen für die kartografische Darstellung Kennfarben zugeordnet.

Durch die Einfügung von drei Zwischenstufen durch die Länderarbeitsgemeinschaft Wasser (LAWA) wurde siese Gewässergüteklassifizierung auf eine siebenstufige Skala erweitert und seit 1976 mit der Herausgabe der Gewässergütekarte der Bundesrepublik Deutschland von der LAWA offiziell verwendet.

Die Bestimmung der biologischen Gewässergüte basiert vorrangig auf der Untersuchung des Benthos. Ergänzend wird eine chemisch-physikalische Begleitanalytik durchgeführt.

Chemische Untersuchung stellen nur eine Momentaufnahme dar. Dagegen ermöglichen die Makroorganismen, die bei einer Lebensdauer von Monaten bis Jahren über lange Zeit den Belastungen ausgesetzt sind, eine Langzeitanalyse. Reichen die vorgefundenen Makroorganismen für eine Bewertung nicht aus (z. B. zu geringe Abundanzsumme oder eine Überschreitung des Streuungsmaßes), werden zusätzlich die Mikrosaprobier herangezogen.

Zu den Makroorganismen werden auch makroskopisch sichtbare Bestände folgender Mikroorganismen gezählt: Sphaerotilus, Leptomitus, Schwefelbakterien und sessile Ciliaten.

An einem Gewässerabschnitt finden sich i.d.R. Indikatororganismen mehrerer Saprobiestufen und Arten mit unterschiedlich enger Toleranz gegenüber einem Gütebereich. Deshalb werden die biologischen Befunde statistisch ausgewertet.

Als Ergebnis der Berechnungen erhält man den „Saprobienindex“ als gewichtetes Mittel der Saprobiewerte aller Indikatororganismen. Das Berechnungsverfahren nach ZELINKA und MARVAN (1961) und eine Liste der Indikatororganismen wird seit 1990 durch die DIN 38 410 Teil 2 vorgegeben. In vielen Fällen wird die Analyse des Makrobenthos ausreichen, um den Saprobienindex mit hinreichender Sicherheit zu bestimmen. Die Untersuchung des Makro- und Mikrobenthos ergibt jedoch eine umfassendere Kenntnis der Biozönose.

Der Saprobienindex ist die wichtigste Grundlage zur Bestimmung der Gewässergüteklasse.

Darüber hinaus sind weitere, die Biozönose beeinflussende Faktoren zu betrachten z. B.:

• außergewöhnliche Beeinträchtigungen des Sauerstoffhaushaltes
• erhöhte Konzentrationen von Ammonium-Stickstoff (NH₄-N), die bei entsprechenden pH-Werten zur Bildung toxischer Konzentrationen von Ammoniak (NH₃) führen können
• Faulschlammbildungen und Reduktionserscheinungen im Gewässerbett.

Das Spektrum der Lebensformen in einem Gewässer hängt außerdem wesentlich von den Substratverhältnissen im Gewässer ab. Die durch einen naturfernen Gewässerausbau und -unterhaltung entstehenden Verschiebungen des Artenspektrums sind nicht Gegenstand dieses Verfahrens zur Bewertung der biologischen Güteklasse.

Geltungsbereich des Verfahrens

• Dieses Verfahren gilt für alle ständig oder zeitweise fließenden Gewässer.
• Es bewertet jedoch ausschließlich die Qualität des Wassers.
• Es bewertet nicht das Gewässer in seiner ökologischen Gesamtheit.

Für eine ökologische Gesamtbewertung des Gewässers müssen weitere Kriterien wie z. B. die Gewässerstrukturgüte, die chemische Klassifizierung und die Abweichung vom biozönotischen Leitbild herangezogen werden.

Grenzen des Verfahrens

Die ausschließliche Verwendung des Saprobienindexes zur Ermittlung der Gewässergüteklasse kann Anlass zu Missdeutungen geben, wenn besondere Situationen oder Belastungen vorliegen, z.B.

• staugeregelte Flüsse, Gräben und Kanäle,
• stark turbulente Fließgewässer wie Mittelgebirgsbäche und -flüssen,
• besiedlungsfeindliche Substrate durch rein technischen Ausbau oder Substratversiegelung,
• hydraulische Belastung durch Regenüberläufe, Regenüberlaufbecken, Mischwassereinleitungen, Fischteichanlagen, Stauanlagen etc.,
• Wärmebelastung durch Kühlwassereinleitung,
• Säurestatus, Versauerung aufgrund natürlicher Ursachen oder durch saure Ablagerungen.

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Literatur:

• Gewässergütebericht 2001, Landesumweltamt Nordrhein-Westfalen
• Friedrich, G. (1990): Eine Revision des Saprobiensystems. – Z. Wasser-, Abwasser-Forsch. 23, S. 141-152.
• Kolkwitz, R. (1950): Ökologie der Saprobien. – Schriftenr. Ver. Wasser-, Boden- und Lufthygiene 4, S. 1-64.
• Liebmann, H. (1962): Handbuch der Frischwasser- und Abwasserbiologie. – Band 1. 2.Auflage, 588 S., Gustav Fischer Verlag Jena
• Zelinka, M. & P. Marvan (1961): Zur Präzisierung der biologischen Klassifikation der Reinheit fließender Gewässer. – Arch. Hydrobiol. 57, S. 389-407.

Ermittlung der Gewässergüteklasse

Grundsätzlich werden zur Ermittlung der biologischen Gewässergüteklasse die in Tabelle: Biologische Gewässergüteklassen angegebenen Abstufungen der Saprobienindices zugrundegelegt.

Bei der Festlegung der Gewässergüteklasse ist

• aber nicht nur das Vorkommen von Indikatororganismen,
• sondern darüber hinaus der Aufbau der Lebensgemeinschaft in ihrer Gesamtheit zu beurteilen.

Der Saprobienindex darf also nicht schematisch in eine Gewässergüteklasse übertragen werden.

Die Festlegung der Güteklasse kann somit vom Saprobienindex abweichen. Diese Entscheidung ist zu begründen.

Zusätzliche Bewertungskriterien

Für die Bewertung sind ggf. weitere Informationen heranzuziehen.

Abweichungen sind möglich, wenn z. B.:

• die statistischen Anforderungen der DIN 38410 Teil 2 nicht erfüllt sind,
• der Saprobienindex nahe der Klassengrenze liegt,
• die chemische Begleitanalytik (für z. B. NH₄⁺-N) Werte liefert, die in offensichtlichem Widerspruch zur vorgefundenen Lebensgemeinschaft stehen,
• eine Belastung des Sauerstoffhaushaltes durch Autosaprobie vorliegt,
• die Individuen- oder Artenanzahl in einem krassen Missverhältnis zu der Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft steht, die aufgrund der vorherrschenden strukturellen Gewässerverhältnisse zu erwarten gewesen wäre,
• Reduktionserscheinungen wie Schwarzfärbung (Eisensulfit) von Steinen oder Faulschlammablagerungen an der Gewässersohle zu beobachten sind.

Abgewertet werden muss in folgenden Fällen:

1. Verödung der Lebensgemeinschaft:
   • Ist die Fließgewässerbiozönose infolge einer massiven anthropogenen Belastung des Wassers durch Stoffeinträge verödet, d. h. es sind keine Makrozoen mehr vorhanden, so wird der Gewässerabschnitt mit Güteklasse IV bewertet.
   • Fallen durch derartige Einflüsse ganze für das Gewässer typische Organismengruppen aus z. B. Krebse, Insekten oder Schnecken, so wird die Gewässergüteklasse mit III-IV festgelegt.
2. Verarmung des Artenspektrums
   • Liegt eine erhebliche Reduktion der Zahl der Taxa gegenüber einer als Vergleich dienenden Referenzgewässerstrecke vor, so muss die Gewässergüte abweichend zu der nach dem Saprobienindex ermittelten Güteklasse um mindestens eine Stufe abgewertet werden.
   • Einzelfunde werden hierbei nicht berücksichtigt.
   • Als Referenz dient eine geeignete Messstelle im selben Gewässer oder einem Gewässer desselben Typs, das vergleichbare Habitatstrukturen aufweist.
   • Wiederholt auftretende Fischsterben führen gleichfalls zur Abwertung um eine Stufe.
3. Belastung durch Ammonium
   • Überschreitet der Gehalt an NH₄⁺-N 1 mg/L bei einer Wassertemperatur ≥ 10 °C, so ist die Gewässergüteklasse in einer Gewässerstrecke mit einem Saprobienindex < 2,7 um eine Stufe abzuwerten.
4. Reduktionserscheinungen im durchströmten Bereich
   • Bei Schwarzfärbung durch FeS an der Steinunterseite bzw. bei Faulschlammablagerungen von ≥ 50% der Fläche wird bei einem Saprobienindex von < 2,7 um eine Stufe abgewertet.

In der Regel wird nur einmal abgewertet. Abweichungen von diesem Vorgehen sind zu begründen.

Liegen für ein Gewässer oder einen Gewässerabschnitt in einem Berichtszeitraum mehrere unterschiedliche Befunde zur Gewässergüteklasse vor, so ist – wenn die Unterschiede nicht eindeutig zu erklären sind (z. B. Verbesserung infolge von Sanierungsmaßnahmen) – der schlechteste Befund maßgebend für die Einstufung.

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Quelle: Gewässergütebericht 2001, Landesumweltamt Nordrhein-Westfalen