Die Verschmutzung der marinen Umwelt durch organische UV Filter ist wissenschaftlich zunehmend besorgniserregend. Studien haben gezeigt, dass UV Filter potentielle negative Effekte auf Organismen haben können. Dies führte bereits zu ersten Anwendungsverboten einiger UV Filter in Sonnenschutzmitteln auf Palau und Hawaii. Die Ostsee ist eine beliebte Urlaubs- und Freizeitregion. Sie ist einem hohen anthropogenen Druck durch Verschmutzung ausgesetzt. Jener wird zusätzlich dadurch verstärkt, dass eingetragene Schadstoffe sich in der Ostsee anreichern. Zum jetzigen Zeitpunkt gibt es jedoch nur wenige Studien über das Auftreten und das Langzeitverhalten von UV Filtern in der Ostsee. Der Fokus dieses Projektes soll es sein, ein grundlegendes, besseres Verständnis über das Verhalten und den Verbleib von UV Filtern in der Ostsee zu erlangen. Bisher wurden sie nur in Küstennähe (Wasserphase) und der offenen Ostsee (Oberflächensediment) detektiert. UV Filter werden hauptsächlich über die Wasserphase direkt bzw. indirekt in die Ostsee eingetragen. Es ist zurzeit nicht belegt, ob diese in der Wasserphase von küstennahen Gebieten bis in die offene Ostsee transportiert werden, ob sie in Buchten akkumulieren und ob es räumlich stark belastete Gebiete gibt. Der Schlüssel zu einem besseren Verständnis von möglichen Transportprozessen ist die Untersuchung der UV Filterdynamiken zwischen den einzelnen Kompartimenten Wasser, Sediment und Biota. Es ist hinreichend bekannt, dass Schadstoffe wie z. B. persistente organische Schadstoffe mit der Frühjahrs- und Sommerblüte im Meerwasser abgereichert und mit der absinkenden Biomasse im Sediment angereichert werden. Dieser Prozess kann auch für den Transport von UV Filtern aus der Wasserphase ins Sediment von großer Bedeutung sein. Es wird angenommen, dass UV Filter an Sedimenten adsorbieren können, welche somit als Senke für sie fungieren könnten. Die Funktion der Sedimente als langzeitige Senke wurde bisher noch nicht eingehend untersucht. Die Erforschung von UV Filtern in unterschiedlichen Sedimentschichten im Zusammenhang mit einer Altersdatierung der Sedimente ist relevant, um die Bedeutung der Sedimentsenkenfunktion und den Verbleib von UV Filtern in der marinen Umwelt zu studieren. Zusätzlich wird die Möglichkeit eröffnet, die Anreicherung von UV Filtern in der Biomasse zu analysieren, um so den Transportprozess aus der Wasserphase ins Sediment zu untersuchen. Mehrere Kampagnen sind geplant, um die Wasser- und Sedimentphase und die Biomasse (Algenblüten) zu unterschiedlichen Jahreszeiten zu beproben. Die UV Filter-Konzentrationen werden mittels moderner analytischer Verfahren quantifiziert und qualifiziert. Die Ergebnisse werden grundlegend dazu beitragen (i) die regional belasteten Gebiete zu identifizieren, (ii) die Transportprozesse von UV-Filtern zwischen den einzelnen Kompartimenten Wasser, Sediment und Biota besser zu verstehen und (iii) die Bedeutung der Sedimente als Langzeitsenke zu demonstrieren.
Wasser aus Talsperren ist in vielen Länder eine der wichtigsten Trinkwasserresourcen. Dies gilt besonders für aride Zonen, und/oder in Ländern mit hoher Bevölkerungsdichte. Allerdings sind diese Gewässer oftmals durch einen extrem euthrophen Zustand gekennzeichnet. Das Ziel dieses Projektes ist es, den Gewässergütezustand zu beschreiben, den derzeitigen Zustand der Gewässer in Hinblick auf Nährstoffgehalte und organische algenbürtige Schadstoffe zu erfassen, Ursachen, die zu einer Algenblüte führen zu bestimmen und Verfahren für die Aufbereitung zu Trinkwasser zu entwickeln. Dazu soll der Gütezustand ausgewählter Gewässer in den drei Ländern der Projektpartner (Deutschland, Israel, Jordanien) verglichen werden. Der Einfluss unterschiedlicher klimatischer Bedingungen (Mitteleuropa, Mittlerer Osten) und die unterschiedliche Nutzung der Gewässer auf deren Eutrophierung soll dabei besonders beachtet werden. Die klassischen Aufbereitungsverfahren Filtration, Adsorption, Oxidation und Desinfektion sollen auf die algenspezifische Rohwasserqualität optimiert werden. Die Ergebnisse werden sowohl hinsichtlich ökologischer Gesichtspunkte als auch hinsichtlich der Wassernutzung ausgelegt werden. Die Untersuchungen werden jeweils in Modellsystemen im Labormaßstab und im Technikumsmaßstab mit Realproben durchgeführt. Ein Probenaustausch ermöglicht die Bestimmung der unterschiedlichsten Parameter in den einzelnen Laboratorien der Projektpartner. Dazu gehört auch ein Austausch von Doktoranden, die Schulung von Mitarbeitern und die Durchführung von gemeinsamen Workshops.
Zielsetzung:
Viele Oberflächengewässer im urbanen Raum werden durch Stoffeinträge aus der Trenn- und Mischkanalisation kontaminiert. Besonders betroffen sind Stillgewässer oder sehr langsam durchflossene Gewässer. Ein Beispiel ist die Grunewaldseenkette in Berlin. Die zehn miteinander verbundenen kleinen Seen dienen der Naherholung und der Einleitung von Niederschlagswasser aus umliegenden Siedlungsgebieten und Verkehrsflächen.
Die stofflichen Belastungen beeinträchtigen die Wasserqualität der Seen in hohem Maße. In verfügbaren Daten fallen insbesondere hohe Phosphorkonzentrationen, Algenblüten und ein häufig geringer Sauerstoffgehalt auf, der in der Vergangenheit bereits zu Massenfischsterben geführt hat. Die Grunewaldseenkette ist ein komplexes System in dem die natürlichen Stoffumsatzprozesse deutlich anthropogen beeinflusst werden. Neben den Stoffeinträgen zählt dazu auch die Steuerung des Wasserstands der Seen, die entgegen ihrer natürlichen Fließrichtung von der Havel aus durchströmt werden.
Für die Bewirtschaftung der Grunewaldseenkette und die Ableitung von wirksamen Maßnahmen wird im uWMS Projekt ein integriertes Simulationsmodellsystem (urbanes Wassermanagementsystem für Seen) aufgebaut. Mit dem uWMS werden Maßnahmenwirkungen untersucht und in einem Stakeholderdialog Lösungsstrategien erarbeitet, die die ökologische Funktion der Seen langfristig verbessern und stabilisieren. Die Modellentwicklung wird durch ein Monitoringprogramm begleitet, um vertiefte Einblicke in die Ursachen und Wirkungsketten der verschiedenen Belastungen zu erlangen. Das uWMS Modellsystem wird auch für andere urbane Seen oder Seensysteme anwendbar sein und stellt somit ein neuartiges Werkzeug für das urbane Wassermanagement bereit.
Veranlassung
„Algenblüten“ sind deutlich sichtbare Zeichen für die multiplen Belastungen, denen unsere Binnengewässer ausgesetzt sind, wie z. B. Nährstoffeinträge, Folgen des Klimawandels – insbesondere Dürren und Starkregen – oder physische und biologische Strukturveränderungen. Diese können mit erheblichen Nutzungseinschränkungen einhergehen. Das massenhafte Fischsterben in der Oder 2022 hat eindrücklich gezeigt, welche Auswirkungen auf Ökosysteme durch das Freisetzen von Algentoxinen entstehen können, und dass dafür verantwortlichen Prozesse möglicherweise so schnell und großräumig ablaufen, dass klassische Monitoring-Strategien diese nicht erfassen. Die Gewässerfernerkundung bietet die Möglichkeit, Algenblüten über die Chlorophyll-a-Konzentration großflächig mittels Satellitendaten zu erheben und Informationen in nahe-Echtzeit bereitzustellen.
Eine bundesweite Überwachung von Algen in Fließ- und Standgewässern ist aufgrund des umfassenden Copernicus-Programms der EU technisch möglich und inhaltlich notwendig, um den Behörden zukünftig ein effizientes Gewässermonitoring und z. B. eine Früherkennung kurzzeitig auftretender Ereignisse mit Algenmassenentwicklungen zu ermöglichen. Zudem bieten die Daten wichtige Informationen für die Bewirtschaftung von Trinkwassertalsperren und Badegewässern.
Ziele
- Automatisierte, skalierbare Ableitung von Chlorophyll-a-Konzentrationen und ergänzenden Gewässergüteparametern aus räumlich- und zeitlich hochaufgelösten, großflächig verfügbaren Satellitendaten für Beispielgewässer (Fließ- und Standgewässer).
- Kalibrierung, Validierung und Qualitätssicherung der erzeugten Daten mittels vorhandener In-situ-Daten
- Entwicklung und automatisierte Erzeugung anwendungsbezogener, maßgeschneiderter Indikatoren, Produkte und Visualisierungen
- Entwicklung einer digitalen Anwendung auf der Cloud-Plattform CODE-DE inkl. Bereitstellung der erzeugten Daten und Produkte
- Planspiele für konkrete Anwendungsfelder – u. a. zur Einbindung von Fernerkundung in die Berichterstattung
Der Algenmonitor wird auf diesen Grundlagen eine wissenschaftlich fundierte Anwendung demonstrieren, die für den behördlichen Einsatz frei verfügbare, zeitlich hochaufgelöste Gewässerfernerkundungsdaten von Beispielgewässern zur Verfügung stellt. Da die Anwendung auf Open-Source-Bausteinen beruht, schafft dies eine Basis für eine Skalierung auf das ganze Bundesgebiet.
Die Bundesanstalt für Gewässerkunde, das Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung und das Umweltbundesamt starteten im August 2024 das Verbundprojekt „Algenmonitor“, gefördert vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und Bundesministerium für Digitales und Verkehr (BMDV).Grundlegende Ziele des Verbundprojektes sind, auf Basis von Satellitendaten räumlich- und zeitlich hochaufgelöste Chlorophyll-a-Konzentrationen, für die Anwendungen maßgeschneiderte Produkte und weitere spezifische Indikatoren für (schädliche) Algenblüten bereitzustellen. Die Anwendung des Algenmonitors soll in diesem Projekt anhand von Beispielgewässern erprobt werden; angestrebt sind je nach Verfügbarkeit von In-situ-Daten mindestens drei große Fließgewässer und drei Standgewässer. Die erforderlichen Prozessierungsschritte werden auf der cloudbasierten Prozessierungsplattform CODE-DE implementiert. Anhand der Beispielgewässer können dieprozessierten Gewässerfernerkundungsdaten von Flüsse und Seen mit In-situ-Daten des Bundes, der Bundesländer und aus wissenschaftlichen Messnetzen (z. B. eLTER) validiert und ergänzt werden. Durch die Einbeziehung der Copernicus-Daten und -Dienste entsteht eine Grundlage, die es den Behörden von Bund und Ländern potentiell ermöglicht, wichtige Wassergüte-Parameter für die bundesweite Gewässerüberwachung großflächig zu erheben und in Wert zu setzen.
Ziel des Vorhabens ist es, Gewässerfernerkundungsdaten für die weitere Verwendung zu erschließen und konkrete Anwendungsmöglichkeiten aufzuzeigen.
Im Rahmen des vorliegenden Projekts wird der Einfluss von dreidimensionalen Wirbeln auf die Verteilung von Plankton und Nährstoffen in der Ostsee untersucht. Da umfassende Algenblüten (Planktonblüten) wie unter anderem schädliche Cyanobakterienblüten nicht nur ein wiederkehrendes, sondern auch ein wachsendes Problem in der Ostsee sind, wird die Beantwortung der Frage, welche Faktoren diese Blüten beeinflussen, immer dringlicher. In diesem Kontext wurde im Baltic Sea action plan das Ziel eines guten ökologischen Zustands der Ostsee bis 2021 festgesetzt. Vor dem Hintergrund, dass eine Reduktion des Nährstoffeintrags in die Ostsee bisher nicht den gewünschten Effekt zeigte, rückt nun eine Analyse der Wechselwirkung von hydrodynamischen und biogeochemischen Prozessen in den Fokus. Im Rahmen dieses Projekts soll der Frage nachgegangen werden, ob und wie Wirbel das Planktonwachstum fördern oder unterdrücken. Diese Erkenntnisse sind nicht nur für das Verständnis des Systems Ostsee elementar, sondern dienen auch dem übergreifenden Verständnis von Wechselwirkungsmechanismen von Hydrodynamik und biogeochemischen Prozessen im Meer.Zu diesem Zweck sollen vier Unterfragen (SQ), die Mechanismen der Beeinflussung des Planktonwachstums durch Wirbel beschreiben, beantwortet werden:SQ1: Wie viele und welche Arten von dreidimensionalen Wirbeln gibt es in der westlichen und zentralen Ostsee? Die Antwort auf diese Frage liefert einen Überblick über das Forschungsgebiet Ostsee. Zur Ostsee wurden bisher keine umfassenden dreidimensionalen Wirbelstudien durchgeführt und es bestehen unzureichende Kenntnisse über die saisonale und regionale Verteilung von Wirbeln.SQ2: Welches Ausmaß an horizontalem Volumentransport verursachen dreidimensionale Wirbel? Die Beantwortung dieser Frage dient der Abschätzung der Transporteigenschaften von Wirbeln im Hinblick auf mögliche Nährstoff- und Planktontransportwege.SQ3: Welche vertikalen Transportprozesse gibt es innerhalb dreidimensionaler Wirbel? Die Beantwortung dieser Frage gibt Einblicke in den Einfluss des vertikalen Transports von z.B. wärmerem oder kälterem, salzigerem oder weniger salzigem Wasser innerhalb des Wirbels auf die Zu- oder Abnahme von Biomasse der unterschiedlichen Planktongruppen im Wirbel.SQ4: Welchen Einfluss haben dreidimensionale Wirbel auf biologische Prozesse? Die Untersuchung der Biomassenänderungen verschiedener Planktongruppen im Wirbel soll zu einem tieferen Verständnis der Nahrungsnetzdynamik im Wirbel führen.Die Studie basiert auf modellierten Geschwindigkeits-, Temperatur-, Salz-, Nährstoffkonzentrations- und Planktonkonzentrationsdaten aus dem GETM-ERGOM Modell für die westliche und zentrale Ostsee im Zeitraum 2006-2016 (www.getm.eu, www.ergom.net).