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TierökologieRoland Gerstmeier

Aquatische Ökologie

1. Allgemeine Limnologie = Erforschung der Binnengewässer, ihrerOrganismen und deren Wechselwirkungenmit der Umwelt

Die Limnologie erforscht die Struktur und Funktion von Süßwasser-Ökosystemen

starker Dipolcharakter !starker Dipolcharakter !

Das Wasser (H2O)

105 °

O

H H


größte Dichte: 4 °C kühleres und wärmeres Wasser ist leichter

= Dichteanomalie

Oberflächenspannung

Physikalische und chemische Verhältnisse im Gewässer

Strahlung Globalstrahlungdirekte Sonnenstrahlung und diffuse Himmelsstrahlung

kurzwellige UV-Strahlung300 – 380 nm

Sichtbare Strahlung380 – 750 nm

Ultrarote Strahlung750 – 3000 nm


Blau hat die größte Transmission

5 m

15 m

30 m

60 m

75 m


Temperatur

Winterstagnation Frühjahrszirkulation (homotherm)

Herbstzirkulation (homotherm)Sommerstagnation

Epilimnion

Metalimnion

Hypolimnion

Sprungschicht

Zweimaliger Wechsel von Zirkulation und Stagnation = dimiktisch1 Zirkulation erfasst den ganzen Wasserkörper = holomiktisch


Temperatur Quellaustritt: niedrig, konstant

Temperatur gleicht

sich immer mehr der

mittleren Lufttemperatur an

Abnahme im Winter


Gase

die wichtigsten im Wasser gelösten Gase stammen aus der Atmosphäre oderdem Stoffwechsel der Organismen

Sauerstoff O2 Atmosphäre, Photosynthese

Stickstoff N2 Atmosphäre, bakterielle Aktivität

Kohlendioxid CO2 Atmosphäre, Atmung

Schwefelwasserstoff H2S Stoffwechsel, bakterielle Aktivität

Methan CH4 Stoffwechsel, bakterielle Aktivität

welche??

Mit zunehmender Temperatur und abnehmendem Druck verringert sich dieLöslichkeit eines Gases im Wasser HENRYsches Gesetz:

CS = KS x Pt

CS = die unter bestimmten Bedingungen (s) gelöste Gasmenge (Sättigungskonzentration)KS = der Löslichkeitskoeffizient für diese BedingungenPt = der Partialdruck


bei einem Druck von 1013 hPa (Normaldruck) lösen sich im Wasser folgende Mengen (mg/l):

10 °C 30 °CO2 54 36N2 23 16CO2 2320 1260

veränderter DruckTieflandsee Meereshöhe → entspricht → 100% Sättigung

Alpensee 2500m → entspricht → 135% Sättigung

pflanzenbewachsene Uferzonetagsüber Sauerstoff-Übersättigung

nachts Sauerstoff-Defizit

am Gewässergrund eines Sees: fast ausschließlich O2-zehrende Vorgänge(mikrobieller Abbau organischer Tier- und Pflanzenreste)


trophogene Zone

tropholytische Zone

Fließgewässer: biogene O2-Produktion wichtig für Selbstreinigung

keine stabile O2-Schichtung, auch in größeren Strömen nie!

pH 11

pH 4


Sonderstellung CO2: folgt nicht dem Henry‘schen Gesetz; in H2O kann sich mehr CO2lösen, als erwartet ← CO2 hydratisiert etwas zu Kohlensäure!

H2O + CO2 H2CO3

H2CO3 HCO3- + H+

HCO3- CO3

2- + H+

Kalk – Kohlensäure – Gleichgewicht

Ca(HCO3)2 CaCO3 + H2CO3

Calciumhydrogencarbonat(leichtlöslich)

Calciumcarbonat(schwerlöslich)

Kohlensäure

kalkreiche Seen: submerse Wasserpflanzen mit Kalkkrusten überzogen =

bei starker Photosynthese wird dem Wasser CO2 entzogen biogene Entkalkung


Wasserhärte

1 dH° entspricht 10 mg CaO/l, das entspricht: 18 mg/l CaCO324,3 mg/l CaSO47,1 mg/l MgO15 mg/l MgCO3Gelöste Feststoffe

N → Nitrat, Ammoniumkann in sehr produktiven Seen (0-6m) Minimumfaktor werdenP → anorganisches Phosphat (PO4

3-)oft limitierender Faktor, da sehr niedriges Löslichkeitsproduktmit einigen Kationen: Ca2+, Fe3+, Al3+

auch Adsorption an Tonmineraliendurch Landwirtschaft → Eutrophierung = Zunahme d. Nährstoffgehaltes


pH-Wert „puissance d‘Hydrogène“ (Kraft des Wasserstoffs)

H2O H+ + OH- Dissoziation

1 l dest.Wasser, bei 18 °C: 18x10-7 g Wasser → 17x10-7 g OH- und 1x10-7 g H+

negativer Logarithmus der H+-Ionenkonzentration: pH 7 = neutrales H2O

Batteriesäure

Magensaft

Essig Bier

Urin

Blut

Seewasser

Borax

Kalkwasser ges.

Coca Cola Darmwasser

NaOH 3%

Seifenlösung


Gewässerversauerung - „Saurer Regen“

pH – Wert in weiten Bereichen Europas heute < 4,7Ursache: SO2 u. NOx aus d. Verbrennung fossiler Energieträger

H2SO4

HNO3

Problem: Gewässer mit kristallinem Untergrund (Granit, Gneis)schlechte Pufferkapazität → kaum Neutralisation möglich→ pH-Abnahmen bis < 4,5► erhöhte Löslichkeit von Metallionen, z.B. Al3+ ► giftig!+ Fällung von Phosphat und Humusstoffen ► hohe Transparenz

Leitfähigkeit

Wasser besitzt eine hohe Dielektrizitätskonstante, d.h. reines H2O ist ein schlechterLeiter für den elektrischen Strom. – Gelöste Salze erhöhen die Leitfähigkeit!abhängig von Temperatur und Konzentration

Maßeinheit: „Siemens“, meist zu groß,daher ► Mikro-Siemens1 µS ► 0,000001 Siemens = 10-6 Siemens

pH-Wert

GewässerRegenwasserGrundwasserKönigssee (oligotroph)Bodensee (eutroph)Untere IsarMeerwasser

µS5 – 3030 – 2000117 – 174242 – 313370 – 53045.000 – 55.000


Stoffhaushalt der Gewässer

Der Stoffhaushalt ist die Summe des Stoff- und Energieumsatzes in einem Ökosystem

Produzenten(photoautotroph)

anorganische VerbindungenSonnenlicht

organische Substanz

KonsumentenUmbau organischer Materie Energie

StoffwechselendprodukteMineralisierung durch Destruenten anorganische

Bestandteile

Primärproduktion Photosynthese !

nCO2 + 2n H2O → (CH2O)n + nH2O + O2

Intensität der Primärproduktion = Trophie LichtintensitätKohlenstoffversorgungAngebot an Nährstoffen/SpurenelementenBiomasseUmsatz an aktiven Primärproduzentenauch: Temperatur

Wasserversorgung


Secchi-Scheibe

Lichtdurchlässigkeit eines Gewässers

Nährstoffbelastung

Eutrophierungoligotrophnährstoffarm

eutrophnährstoffreich


Hauptursache der Eutrophierung

Zunahme von Nährstoffen, bes. Phosphor

anthropogen bedingt durch:

• Erhöhung der Abwasserfrachten• phosphathaltige Waschmittel• Düngung i.d. Landwirtschaft• zunehmende Erosion• zunehmende Belastung der Atmosphäre mit NOx

AlgenblütenSauerstoffschwundAuftreten von Schwefelwasserstoff und Ammonium,Methanbildung undAnreicherung organischer Stoffe im Sediment


Sekundärproduktion organische Substanz wird umgebaut !

Stoffwechsel körpereigene Substanz


In beiden Nahrungsketten: Bakterien Destruenten

Remineralisierung


Gewässertypen und ihre Lebensgemeinschaften

Einteilung: Tiefe, Größe, natürliche und künstliche Gewässer,stehend oder fließend → ? Trennung Fließgewässer / Stillgewässer

Stehende Gewässer

• Tümpel: klein, nicht dauerhaft

• Teiche, Weiher: Dauergewässer; meist nicht > 2m tief

Weiher natürlich / Teich vom Menschen angelegt

• See: Dauergewässer mit größerer Tiefe; meist mit Tiefenzone

• Moore: häufig durch Verlandung von Seen entstanden

See: längere Speicherung des Wasserkörpers


Benthal(Gewässer-Boden)

Pelagial(Freiwasserzone)

Seen

Pleustal (Grenzzone zw. Wasser und Luft)

Nekton




Seen

Nekton

Benthos

LitoralbenthosProfundalbenthos




Seen

Nekton

Pleustal (Grenzzone zw. Wasser und Luft)

Neuston

Algen, Pilze, Bakterien, EinzellerEpineuston

Hyponeuston

Pleuston

größere schwimmende Pflanzen u. Tiere

Kinon: Gesamtheit der Zönosen derWasseroberfläche (Oberflächendrift)Lebensraum = Kinal


Hochgebirgsseen

Nährstoffarmuthohe SichttiefeO2 reichlich, bis ins HypolimnionChara, LaichkrautZooplankton, wenige Arten


Moore meist durch Verlandung von Seenoder direkt aus sumpfigem Boden

Voraussetzung: niederschlagsreiches Klima !

eutrophe Gewässer Flachmoore (Niedermoore, Seggenmoore)Flachmoore +oligotrophe Seen

Hochmoore (Regenmoore)

• Kontakt mit Mineralboden• leicht saurer bis schwach alkalischer pH• Wasser meist kalk- und nährstoffreich• Vegetation ähnlich der eines eutrophen Sees• artenreiche Tierwelt (viele auch im eutrophen See oder Weiher zu finden)

Flachmoore


Hochmoor charakteristische Aufwölbung durch Torfmoose (Sphagnum)

1 Schlammabsetzung2 Verlandung3 abgestorbene Pflanzen vertorfen4 Bruchwälder bilden sich5 Bruchwaldtorf entsteht6 Torfpolster ersticken Bruchwälder

abgestorbene Torfmoose vertorfen

Wasser- und Nährstoffversorgung nur aus der Luft (Niederschlag)Torfschichten isolieren das Hochmoor gegen den Mineralboden

v.a. N- u. Ca-Verbindungen fehlen; pH 3,5 – 4,5


Fließgewässer permanente Wasserströmungkeine langfristige SchichtungOrganismen an Strömung angepasst

Quellen Grundwasser oder Schmelzwasserpunktuell oder langsam strömend, diffus

Lebensraum Quelle = Krenal : geringe Temperaturschwankungenstenöke Organismen

Bäche und Flüsse

Bach Fluss Strom- 5m breit- 5 m³/s- 1,5m tief- 20 °C

> 5m breit> 5 m³/s> 1,5m tief> 20 °C

> 100m breit> 2000 m³/s

AbflussquerschnittBeschattungsreichweite


Lebensraum Bach = Rithral Lebensraum Fluss = Potamal

wesentliche abiotische Faktoren: • Strömung• Temperatur• Sauerstoffgehalt• Untergrund• Wassertrübung durch SchwebstoffePflanzenbewuchs

Quelle, Quellbäche nahezu frei von Wasserpflanzen

schnell strömende Bereiche Kiesel- und GrünalgenRotalgen und Moose auf Steinen

verringerte Fließgeschwindigkeit„höhere“ Vegetation: Wassermoosesubmerse Blütenpflanzen, Schwimm-blattpflanzen

sehr langsam fließende Flüsse/Ströme Plankton


mäandrieren !

Altwasser

Totarm

AltarmVerbindung z. Fluss nur zeitweise


Ökologie der Fische

Wassertemperatur eurytherm ↔ stenotherm

kaltstenotherm

poikilotherm Aktivität im Winter verringert

Winterruhe: Brachsen, BarbeGiebel lässt sich einfrieren !

Biologische Rhythmen spielen bei der Synchronisation vieler Aktivitäten eine Rolle: tagesperiodische Nahrungsaufnahme (tag-, dämmerungs-, nachtaktiv) Laichzeiten Gezeiten

? Schlaf - verringerte Kiemendeckelfrequenz (in Ruhephasen)


Osmoregulation / Exkretion


Standfische (standorttreu / stationär) Wanderfische

Elritzen, Schleien, Rotfedern und Hechte Barben, Ziege, Zobel und Zope

Nahrungsgründe Laichplätze

Laichwanderungen: kurze Distanzen bis mehrere tausend km

Anadrom - aus dem Meer ins Süßwasser: Lachse, Störe, Maifische

Katadrom - vom Süßwasser ins Meer: Aal


katadromer Wanderfischlaicht im Meer

Weidenblattlarve

Glasaale


Fortpflanzung und Entwicklung

Getrenntgeschlechtlich + Geschlechtsdimorphismus (♀♀ i.d.R. größer)

bestimmte Flossen der Männchen sind manchmal größer (z.B. Rückenflosse der Äsche, Bauchflossen der Schleie, Brustflossen beim Gründling)

Färbung, Hochzeitskleid (Lachs, Forellen, Saiblinge, Bitterling, Stichling)

Körperform: Laichhaken, Körperausschlag = Perlorgane

Fortpflanzungsperiode: meist einmal pro Jahr (schwarmweise an bestimmtenLaichplätzen)


Kieslaicher Krautlaicher

Lachs, Forelle, Äsche, Barbe, Elritze, Nase, Schied

Karpfen, Güster, Rotfeder, Schleie, Brachsen

Ablage in Kiemenraum v. Muscheln

um Pflanzen, Steine:Kaulbarsch, Schrätzer, Moderlieschen

Bitterling


Lebenserwartung

Elritze 3 - 6 JahreBitterling 5 JahreStint 5 JahreAal 12 JahrePlötze 12 JahreSchleie 13 - 20 JahreZander 14 JahreRotfeder 19 JahreSterlet 25 JahreKarpfen 50 JahreStör 50 JahreHausen 100 JahreWels 100 und mehr Jahre


Fließgewässerregionen

Robert Lauterborn: nach Fischregionen, basierend auf den Leitformen (Rhein)nur bestimmte Abschnitte eines Flusses werden besiedelt

Joachim Illies: Jahrestemperaturamplitude, Struktur der Stromsohleim Grunde benutzte er Steinfliegen als Leitformen

5 Fischregionen von der Quelle bis zur Mündung


1a) Obere Forellenregion

= Quellgebiet; im Gebirge bis2000m und mehr, aber auch Wiesen-bach: Wasser klar, O2-reich, raschfließend, wichtiges Laichgebiet fürLachs und Huchen

Leitfischart: BachforelleBegleitfischart: Groppe


Salmonidae - Lachsartige

Seeforelle

Stammformen:Meerforelle – Salmo trutta truttaSchwarzmeerforelle – Salmo trutta labraxKaspische Forelle – Salmo trutta caspius

morpha fario – standorttreue Zwergformmorpha lacustris – großwüchsig, tiefe Seen

Salmo trutta labrax m. fario


Regenbogenforelle

Atlantischer Lachs


1b) Untere Forellenregion

nach Zustrom von Nebengewässern;ansonsten gleiche Bedingungen wie1a); Temperatur auch im Sommer:< 10 °CUntergrund: Fels, grobe Steine, KiesWasser oft milchig trüb

Leitfischart: BachforelleBegleitfischarten: Groppe, Elritze,

Schmerle, Bachneunauge


2) Äschenregion

Bäche und Flüsse mit tieferemWasser, geringere Fließgeschwin-digkeit; Untergrund noch steinig, kiesig (Kiesbänke); etwas Sediment-ablagerung → erster PflanzenwuchsWasser klar und O2-reich, im Sommernicht über 15 °C; wichtiges Laichge-biet für Kieslaicher

Leitfischart: ÄscheBegleitfischarten: alle Fische der Fo-rellenregion + Strömer, Nase, Rutte,Huchen, Gründling, Schneider, Döbel


3) Barbenregion

schnellfließender Mittelteil größerer Flüsse; Boden kiesig, bis stellenwei-se sandig; Sedimentablagerung →PflanzenbeständeTemperatur im Sommer: bis 18 °Cgute O2-Verhältnisse; leichte Zu-nahme der Gewässertrübung

Leitfischart: BarbeBegleitfischarten: Fische der vorigenRegion + Hasel, Schied (Rapfen), Nerfling (Aland, Orfe), Rotfeder etc.


4) Brachsenregion

größtes Fischartenspektrumbreiter, langsam fließender Unterlaufmit tiefer Stromrinne; Boden sandigoft schlammig → reichlich Wasser-pflanzen; Temperatur im Sommer:20 °C und mehr; Wasser oft trübe, O2-Mangel in Bodennähe

Leitfischart: BrachsenBegleitfischarten: Güster, Rotauge,Rotfeder, Döbel, Hecht, Flußbarsch,Zander, Karausche, Wels, Aal, auchKarpfen, Schleie in Stillwasserber.


Brachsen

Rotauge

Döbel, Aitel

Karpfen

"Verbuttung"wachsen langsam, bleiben klein,Fortpflanzung bereits bei geringerKörpergröße


5) Kaulbarsch-Flunder-Region

= Brackwasser-RegionGezeitenzone an der Mündungwechselnde Wasserführungschwankender Salzgehalt, Änderungder StrömungsverhältnisseUntergrund: schlammig, Wasser starkgetrübt, warm; oft O2-Armut, hoherNährstoffgehalt

Leitfischarten: Kaulbarsch, FlunderBegleitfischarten: viele Fische derBrachsenregion + Stichling, Stint,Aal, Junglachse, einige Seefischarten


Kaulbarsch

Flunder

Dreistacheliger Stichling

Zoologie - UmweltplanerRoland Gerstmeier

Konfliktfeld Fisch - Mensch

Berufsfischerei - Sportfischerei Pflege eines natürlichen FischbestandesSchonzeiten, -maße; Haken-, SchnurstärkenBesatzmaßnahmen

Gewässerveränderungen Stau• Wanderverhalten der Fische unterbunden• Fließgeschwindigkeit verlangsamt• Selbstreinigung wird schlechter• zunehmende Verschlammung• Verhinderung von Hochwässer• Verlust von Laichplätzen

Begradigung• Erhöhung der Fließgeschwindigkeit• Sohleneintiefung• Grundwasserabsenkung• Verringerter Sauerstoff-Eintrag• Selbstreinigung wird schlechter

Staustufen (Stützstufen)


Gewässerveränderungen Verschmutzung• direkt: Landwirtschaft, Industrie, Haushalte• direkte Giftwirkung/Schädigung• indirekt: Anreicherung in Nahrungskette• Eutrophierung• Versauerung

Freizeitbetrieb• direkte Gewässerbeeinträchtigung• Zerstörung der Litoralzonen


Fischereibiologie

Aufgaben: qualitative und quantitative Feststellung der Fischartenbestände Ermittlung der Bestands- und Wachstumsverhältnisse einzelner Fischarten, Untersuchungen über die Horizontal- und Vertikalverteilung in Seen und Flüssen, Wanderverhalten, Lebensgewohnheiten, Nahrungsspektren, Fortpflanzungs-biologie, Populationsgenetik, Gesundheitsstatus und nicht zuletzt in der Beur-teilung von Besatz- und Bewirtschaftungsmaßnahmen.

Altersstruktur: Nachwuchsüberschuss oder -mangel, Schwankungen in der Besiedelungsdichte, Wachstumsintensität und damit die Produktivität eines Gewässers.

Otolith


Individuelle Markierung Standorttreue und Wanderungsaktivität (Zugrichtung, Geschwindigkeit) sowie zur Wachstumsleistung und über die Effektivität von Besatzmaßnahmen

Elektrobefischung relativ schonende Fischentnahme

geringe SelektivitätEinsatz vielseitigtiefe Gewässer: Uferbereich

GleichstromAnode, Wirkungsbereichca. 3-4m


Gewässergüte, Bioindikation und Saprobiensystem

Aufbau organischer Substanz (Produktion) Abbau (Destruktion)

Zuführung von Nitrat und Phosphat bewirkt Produktionssteigerung = Eutrophierung!

ohne Sauerstoff → anaerober Abbau → Schwefelwasserstoff → Gewässer kippt um

Intensität der Aufbauprozesse, d.h. Biomasse u. Umsatz der autotrophenOrganismen, kennzeichnen die TROPHIEIntensität der Abbauprozesse, d.h. Biomasse u. Umsatz der heterotrophenDestruenten unter Sauerstoffverbrauch = SAPROBIE

Selbstreinigung: Fähigkeit zum Abbau organischer Stoffe in relativ kurzer Zeit

Anzeiger für bestimmte Umweltbedingungen = BIOINDIKATORENArten mit geringer „Reaktionsbreite“enge Bindung an ganz bestimmte Umweltfaktoren → stenök


Saprobiensystem von Kolkwitz und Marsson (1902)(Saprobier, Saprobionten = Organismen, die organisches Material zersetzen)

Bioindikatoren kennzeichnen meist durch ihr (unerwartetes) Fehlen abwasserbe-lastete Fließgewässerzonen (= Artenfehlbetrag)aussagekräftige Indikatororganismen: Bakterien, Einzeller, Eintags-, Stein- undKöcherfliegenlarven, auch Dipterenlarven

allerdings: schwierige Artbestimmung!

Warum nicht chemische Analyse?? • Abwasserbelastungen oft nicht konstant• variieren bereits mit der Tageszeit• nur Spotmessung (Analyse zur falschen Zeit)

Organismen integrieren Belastungen langfristig → Verschiebungen im Arten-spektrum, Fehlen von Arten, Änderungen der Häufigkeiten


** es wird nicht die Abundanzangegeben, sondern Häufigkeitsklassen!


Zum Heim- / Selbststudium:

weitere Ausführungen zur „Gewässergüte“:

I unbelastet 1.0 – 1.5

II mäßig belastet 1.8 – 2.3III stark verschmutzt 2.7 – 3.2IV übermäßig verschmutzt 3.5 – 4.0

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