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Erde+Klima

Sauerstoffgehalt in Seen sinkt rapide

See
Der Sauerstoffgehalt im Wasser vieler Seen sinkt. (Bild: Robert Ruidl/ iStock)

Wie viel Sauerstoff im Wasser von Seen gelöst ist, beeinflusst die Artenvielfalt, das biochemische Gleichgewicht des Sees und die Trinkwasserqualität. Eine neue Studie zeigt nun, dass der Sauerstoffgehalt in Süßwasserseen zwischen 1980 und 2017 deutlich abgenommen hat. Die Ursache dafür ist aus Sicht der Forscher vor allem der Klimawandel: Je wärmer das Wasser an der Oberfläche ist, desto weniger Sauerstoff kann es speichern. Weicht die Temperatur zu stark von der in tieferen Wasserschichten ab, verringert sich außerdem die Durchmischung des Sees, wodurch auch tiefere Schichten weniger mit Sauerstoff versorgt werden. Das bedroht das empfindliche Ökosystem See mit seiner einzigartigen Artenvielfalt und seiner Bedeutung für das Klima und die menschliche Gesundheit.

Süßwasserseen machen etwa drei Prozent der Landoberfläche der Erde aus. Sie stellen weitgehend geschlossene Ökosysteme dar und bergen eine außergewöhnlich große Artenvielfalt. Die meisten Lebewesen in Seen sind jedoch darauf angewiesen, dass genügend Sauerstoff im Wasser gelöst ist. An der Oberfläche des Sees wird Sauerstoff aus der Luft aufgenommen. Je kälter das Wasser, desto höher ist seine Sauerstoffkapazität. Zusätzlich produzieren Wasserpflanzen, einzellige Algen und Cyanobakterien Sauerstoff durch Photosynthese. Durch die Wasserzirkulation im See verteilt sich der Sauerstoff von der Oberfläche bis in die Tiefe. Dort wird er vor allem bei der Zersetzung abgestorbener Tier- und Pflanzenteile verbraucht. Je nährstoffreicher ein See ist, desto mehr Sauerstoff wird benötigt. Fehlt Sauerstoff, gerät das Ökosystem aus dem Gleichgewicht.

Oberflächen- und Tiefenwasser betroffen

Ein Team um Stephen Jane vom Rensselaer Polytechnic Institute in New York hat nun für fast 400 Süßwasserseen in der gemäßigten Klimazone untersucht, wie sich ihr Sauerstoffgehalt in den letzten Jahrzehnten entwickelt hat. Dafür werteten sie über 45.000 Datenpunkte zur Temperatur und zum Sauerstoffgehalt aus, die zwischen 1941 und 2017 erhoben wurden. „Wir haben festgestellt, dass ein Rückgang des gelösten Sauerstoffs in Oberflächen- und Tiefwasserhabitaten weit verbreitet ist“, schreiben die Autoren. Insbesondere seit 1980 ist demnach der Sauerstoffgehalt der untersuchten Seen deutlich gesunken: im Schnitt um 5,5 Prozent an der Oberfläche und um 18,6 Prozent in tiefen Wasserschichten.

Beim Oberflächenwasser liegt die Ursache in einem simplen physikalischen Effekt, erklärt Janes Kollege Kevin Rose: „Die Sauerstoffsättigung, also die Menge an Sauerstoff, die das Wasser aufnehmen kann, sinkt, wenn die Temperatur steigt. Das ist eine bekannte physikalische Beziehung und erklärt den größten Teil des Trends beim Oberflächensauerstoff, den wir sehen.“ Bei tiefen Wasserschichten dagegen hat sich die Temperatur im Untersuchungszeitraum kaum verändert. Somit ist auch die Speicherkapazität für Sauerstoff hier gleich geblieben. Doch gerade der wachsende Temperaturunterschied zum Oberflächenwasser führt zu einem anderen Problem: Da warmes Wasser eine geringere Dichte hat als kaltes Wasser, bleibt es an der Oberfläche, die Zirkulation im See stagniert. „Die zunehmende Schichtung macht die Durchmischung, bei der neuer Sauerstoff aus der Atmosphäre in tiefe Wasserschichten gelangt, schwieriger und seltener und der gelöste Sauerstoff in der Tiefe sinkt infolgedessen“, so Rose.

Mehr schädliche Algenblüten

Trotz des starken Einflusses der Oberflächentemperatur auf den Sauerstoffgehalt des Wassers stellten die Forscher bei einigen Seen auch einen gegenteiligen Effekt fest: „Eine große Untergruppe von Seen wies sowohl Erhöhungen bei der Wassertemperatur als auch bei der Konzentration an gelöstem Sauerstoff auf“, berichten sie. Das galt insbesondere für Seen, die durch Zuflüsse aus der Landwirtschaft stark mit Nährstoffen belastet waren. „Die Tatsache, dass wir eine Zunahme des gelösten Sauerstoffs in diesen Seen beobachten, ist möglicherweise ein Indikator für eine weit verbreitete Zunahme von Algenblüten, von denen einige Giftstoffe produzieren und schädlich sind“, sagt Rose. Da die Forscher keine Daten zu den im jeweiligen See vorhandenen Spezies haben, können sie diesbezüglich keine definitive Aussage treffen. „Aber nichts anderes, das uns bekannt ist, kann dieses Muster erklären“, so Rose.

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Aus Sicht der Forscher sind die von ihnen dokumentierten Entwicklungen ein Warnsignal. „Seen sind Indikatoren für Umweltveränderungen und potenzielle Bedrohungen der Umwelt, weil sie auf Signale aus der umgebenden Landschaft und Atmosphäre reagieren. Wir haben festgestellt, dass sich diese unverhältnismäßig artenreicheren Systeme schnell verändern, was darauf hindeutet, in welchem Ausmaß sich die laufenden atmosphärischen Veränderungen bereits auf die Ökosysteme ausgewirkt haben“, sagt Jane.

Empfindliches Gleichgewicht bedroht

Die Sauerstoffkonzentration ist nicht nur entscheidend für die Biodiversität, sondern reguliert auch viele andere Merkmale der Wasserqualität. Wenn der Sauerstoffgehalt sinkt, beginnen sich Bakterien zu vermehren, die in einer Umgebung ohne Sauerstoff gedeihen, darunter auch solche, die das starke Treibhausgas Methan produzieren. Dies deutet darauf hin, dass Seen als Folge des Sauerstoffverlustes möglicherweise größere Mengen an Methan in die Atmosphäre abgeben. Darüber hinaus setzen die Sedimente am Grund des Sees unter sauerstoffarmen Bedingungen mehr Phosphor frei, was die ohnehin schon überversorgten Gewässer mit zusätzlichen Nährstoffen belastet.

„Laufende Forschungen haben gezeigt, dass der Sauerstoffgehalt in den Weltmeeren rapide abnimmt. Diese Studie beweist nun, dass das Problem in Süßgewässern noch gravierender ist und unsere Trinkwasserversorgung sowie das empfindliche Gleichgewicht, das das Gedeihen komplexer Süßwasser-Ökosysteme ermöglicht, bedroht“, sagt Janes Kollege Curt Breneman. „Wir hoffen, dass dieser Befund den Bemühungen, die fortschreitenden schädlichen Auswirkungen des Klimawandels anzugehen, größere Dringlichkeit verleiht.“

Quelle: Stephen Jane (Rensselaer Polytechnic Institute, New York) et al., Nature, doi: 10.1038/s41586-021-03550-y

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