Forscher finden Nährstoffungleichgewicht im Flathead Lake

Wie Ihnen jeder Gärtner oder Landwirt sagen kann, sind Stickstoff und Phosphor chemische Elemente, die in Böden und Düngemitteln vorkommen, die Pflanzen zum Wachsen brauchen. Sie wissen auch, dass unterschiedliche Verhältnisse von Stickstoff und Phosphor für verschiedene Arten von Pflanzen und Feldfrüchten ideal oder schädlich sind.

Stickstoff und Phosphor spielen ebenfalls eine wichtige Rolle in Seen und können das klare und unberührte Wasser nährstoffarmer Seen verändern. Aber obwohl beträchtliche Anstrengungen unternommen wurden, um die Mengen jedes Nährstoffelements separat zu überwachen, hat begrenzte Forschung untersucht, wie das Verhältnis von Stickstoff zu Phosphor, das Seen zugeführt wird, auch das Algenwachstum und die Wasserqualität in entsprechender Weise verändern könnte.

Jetzt hat ein Forscherteam unter der Leitung von Wissenschaftlern der Flathead Lake Biological Station der University of Montana fast 40 Jahre Nährstoffdynamik im Flathead Lake untersucht. Dieser einzigartige Datensatz, der vom FLBS Flathead Monitoring Program zusammengestellt wurde, dokumentiert ein anhaltendes Ungleichgewicht zwischen Stickstoff und Phosphor, das wahrscheinlich erhebliche ökologische Folgen für den Flathead Lake und andere nährstoffarme Ökosysteme hat.

Ihre Arbeit wurde am 11. Juli von der veröffentlicht Proceedings of the National Academy of Sciences.

„Seit den frühen 1990er Jahren arbeite ich daran, besser zu verstehen, wann und wo Stickstoff und Phosphor das Wachstum von Seeorganismen wie Plankton einschränken“, sagte FLBS-Direktor Jim Elser, Mitglied der National Academy of Sciences und Hauptautor die Studium. „Es stellte sich heraus, dass starke Ungleichgewichte im Verhältnis zwischen Stickstoff und Phosphor in Ökosystemen und Organismen große Auswirkungen haben können. Ich wollte sehen, ob dies in Flathead Lake vor sich geht.“

Seit über einem Jahrhundert dienen die Forschungs- und Überwachungsprogramme des FLBS als erste Verteidigungslinie gegen die ständig drohenden Bedrohungen der berühmten Wasserqualität der Flathead-Wasserscheide. Die Hauptbedrohungen durch Nährstoffverschmutzung und invasive Arten sind nach wie vor die ältesten Feinde der Biostation im Kampf um den Zustand des Sees und die hervorragende Wasserqualität.

Der Flathead Lake ist bekannt für sein sauberes und klares Wasser, vor allem, weil die Geologie, die seine Wasserscheide umgibt, uralt und arm an Nährstoffen ist, insbesondere an Phosphor. Dies bedeutet, dass es nur sehr geringe Mengen an Nährstoffen gibt, die vom Grundgestein verwittert werden können, um den See durch Regenstürme und Schneeschmelze zu erreichen. Daher stehen für das Wachstum von Seealgen natürlich nur wenige Nährstoffe zur Verfügung, und der Flathead Lake bleibt klar und blau statt grün und trüb.

Dieser geringe Hintergrund an natürlich zugeführten Nährstoffen macht Flathead Lake sehr empfindlich gegenüber vom Menschen verursachten Nährstoffeinträgen. Solche vom Menschen verursachten Nährstoffeinträge in den Flathead Lake und die damit verbundenen Algenblüten gaben in den 1970er und 1980er Jahren Anlass zur Sorge. Anschließend führten von FLBS-Wissenschaftlern durchgeführte Forschungen zu Maßnahmen zur Nährstoffreduzierung in der Flathead-Wasserscheide, darunter eines der landesweit größten Verbote für phosphorhaltige Waschmittel und eine millionenschwere Überholung lokaler Abwasserbehandlungsanlagen, um Phosphor auf sehr niedrige Werte zu entfernen.

Aber in den letzten Jahren begannen Elser und seine Kollegen sich zu fragen, ob es ausreicht, Stickstoff und Phosphor isoliert zu überwachen. Angesichts seiner langen Erfahrung in der Entwicklung und Erprobung der Theorie der ökologischen Stöchiometrie – der Untersuchung des Gleichgewichts mehrerer chemischer Elemente in ökologischen Wechselwirkungen – war Elser begierig darauf, dies herauszufinden.

„Wir haben festgestellt, dass die Gesamtwerte von Stickstoff und Phosphor im Flathead Lake und den umliegenden Flüssen und Bächen zwar von Jahr zu Jahr schwanken, aber niedrig sind, aber nicht zunehmen“, sagte Elser. „Tatsächlich scheinen die Stickstoff- und Phosphorgehalte, die von den größeren Flüssen in den Flathead Lake gelangen, langsam zu sinken. Das sind großartige Neuigkeiten für die Wasserqualität und -klarheit in unserem geliebten Flathead Lake, während die Wasserqualität in vielen Seen der Welt abnimmt aufgrund steigender Nährstoffeinträge.“

Dann kam eine überraschende Entwicklung. Während der Gesamtgehalt an Stickstoff und Phosphor im Flathead Lake nicht zunahm, stellten die Forscher fest, dass der See über einen Zeitraum von vier Jahrzehnten ein hohes Verhältnis von Stickstoff zu Phosphor aufweist und oft Werte erreicht, die das normale Stickstoff-zu-Phosphor-Verhältnis bei weitem übersteigen. Phosphor-Rezeptur, die den Bedürfnissen der meisten Phytoplanktons entspricht, den mikroskopisch kleinen Schwebealgen des Sees.

Anders ausgedrückt: So wie der Mensch von einem ausgewogenen Frühstück profitiert oder der Landwirt einen Dünger mit dem richtigen Verhältnis von Stickstoff zu Phosphor für bestimmte Pflanzen ausbringt, sind Mikroorganismen, die die Grundlage des Nahrungsnetzes eines Sees bilden, auf ein ganz bestimmtes Verhältnis angewiesen von Nährstoffen. Wenn das Verhältnis zwischen Stickstoff und Phosphor hoch ist, wie es in Flathead Lake der Fall ist, wird das Planktonwachstum wahrscheinlich über einen Großteil des Jahres durch den Mangel an verfügbarem Phosphor begrenzt.

Durch eine Reihe von Experimenten zeigte das Forscherteam, dass das Phytoplankton von Flathead Lake phosphorbegrenzt ist. Das bedeutet, dass die Algen gezwungen sind, Zellen zu bauen, die einen niedrigen Phosphorgehalt haben, was sie nicht besonders nahrhaft macht. Für die winzigen Seetiere Zooplankton, die dieses Phytoplankton fressen und dadurch die hohe Transparenz des Sees erhalten, kommt dies einer „Junk Food“-Ernährung gleich. Infolgedessen wird auch das Zooplankton phosphorbegrenzt und seine Abundanzen gering.

Schließlich zeigte das Team, dass das starke Stickstoff-zu-Phosphor-Ungleichgewicht in Flathead Lake die Voraussetzungen für eine potenzielle Produktion des Treibhausgases Methan schafft. Dies geschieht, wenn phosphorhungrige Mikroben damit beginnen, Phosphor aus organischen Molekülen zu entfernen und Methan als Nebenprodukt zu produzieren.

Diese Ergebnisse haben nicht nur Auswirkungen auf den Flathead Lake, sondern auf Seen weltweit. Abwasserbehandlungssysteme, landwirtschaftliche Abflüsse und städtische Einflüsse tragen zunehmend zum Stickstoff-zu-Phosphor-Ungleichgewicht in einer Vielzahl von Situationen bei.

„Am Flathead Lake würde die Implementierung von Abwasserbehandlungsprozessen, die Stickstoff effektiver entfernen, dazu beitragen, das Stickstoff-Phosphor-Verhältnis des Sees auszugleichen“, sagte Elser. „Regional würde eine Reduzierung des atmosphärischen Stickstofftransports, der durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe oder die Verflüchtigung von landwirtschaftlichen Düngemitteln oder tierischen Abfällen auftritt, auch dazu beitragen, die Stickstoffeinträge in den See zu reduzieren.“

Bei den Bausteinen unserer Seeökosysteme kommt es also auf den Nährstoffhaushalt an.