Neue Forschungsergebnisse unter der Leitung der Reno-Assistenzprofessorin Joanna Blaszczak von der University of Nevada zeigen, dass Hypoxie in Flüssen und Bächen im Allgemeinen auf der ganzen Welt viel häufiger vorkommt als bisher angenommen. Hypoxie ist ein niedriger oder erschöpfter Sauerstoffgehalt in Oberflächengewässern, der für Wasserlebewesen schädlich sein kann und in einigen Fällen die Produktion schädlicher Treibhausgase aus Flüssen erhöhen kann.
Die Forschung, die kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Briefe über Limnologie und Ozeanographiestellt über 118 Millionen Messwerte von gelöstem Sauerstoff und Temperatur zusammen, die an über 125.000 Stellen in Flüssen auf sechs Kontinenten und in 93 Ländern gemessen wurden und sich über einen Zeitraum von über 100 Jahren erstrecken, von 1900 bis 2018. Hypoxie, in dieser Studie definiert als Konzentrationen von gelöstem Sauerstoff unter 2 Milligramm pro Liter , wurde in Flüssen und Bächen in 53 Ländern nachgewiesen, wobei 12,6 % aller Orte mindestens eine Hypoxiemessung aufwiesen.
„Hypoxie in Küstengewässern und Seen ist weithin als schädliches Umweltproblem anerkannt, aber uns fehlt ein vergleichbares Verständnis von Hypoxie in Flüssen“, sagte Blaszczak vom College of Agriculture, Biotechnology & Natural Resources der Universität. „Während 12,6 % nicht wie ein riesiger Prozentsatz erscheinen mögen, wurde früher allgemein angenommen, dass das Auftreten von Hypoxie in Flüssen und Bächen äußerst selten ist. Das Vorhandensein von Hypoxie an einem von acht Flussstandorten mit Daten gezeigt zu haben, ist definitiv ein Spielveränderer in Bezug auf wie wir an das Thema Hypoxie in Flüssen und Bächen denken und ihm Aufmerksamkeit schenken müssen.“
Blaszczak sagt, dass die Fortschritte bei der Messung von Hypoxie in den letzten etwa 15 Jahren mit der vor Ort einsetzbaren Sensortechnologie für gelösten Sauerstoff, die eine konstante Überwachung, beispielsweise stündlich, ermöglicht, den Forschern die Werkzeuge an die Hand gegeben haben, um das Vorhandensein von Hypoxie besser in den Griff zu bekommen. Früher wurden die Messwerte manuell mit einer Handsonde oder durch das Sammeln von Wasserproben meistens tagsüber durchgeführt, wenn der Sauerstoffgehalt aufgrund der Photosynthese während der Tagesstunden natürlich höher ist.
„Die Photosynthese der Algen erzeugt Sauerstoff, der in die Wassersäule abgegeben wird“, erklärt Blaszczak. „Sie erhalten also kein wahres Bild des Auftretens von Hypoxie, wenn Sie nur tagsüber messen. Hypoxiezustände entwickeln sich viel wahrscheinlicher in den frühen Morgenstunden, nachdem die ganze Nacht über keine Photosynthese stattgefunden hat. Die neuere Technologie ermöglicht uns dies um diese Daten zu erfassen.“
Tatsächlich zeigte die Forschung einen dramatischen Unterschied in den Ergebnissen zwischen der Verwendung der älteren Methoden und der neueren Technologie aufgrund der Tageszeiten, zu denen Messungen durchgeführt werden.
„Wir stellen fest, dass, wenn wir nur tagsüber zwischen 8 und 17 Uhr Proben nehmen würden, die Anzahl der Flussstandorte, an denen wir Hypoxie beobachten, um etwa 25 % zu niedrig wäre“, sagte sie.
Blaszczak sagt, dass viele der Daten aus der Studie neueren Datums sind und mit der neueren Technologie aufgenommen wurden.
„Es gab nicht viele Tests, besonders vor den 1950er Jahren“, sagte sie. „Sogar bis etwa 2005 oder so sind die Daten auf globaler Ebene ziemlich rar.“
Die Forschung zeigt natürliche und menschliche Einflüsse
Wie erwartet zeigten die Daten, dass Hypoxie in Flüssen am stärksten in wärmeren, kleineren und ruhigeren Gewässern mit geringerem Gefälle auftritt, wo Sauerstoff nicht durch Turbulenzen in das Wasser „gerührt“ wird. Blaszczak sagt, die Forschung habe ergeben, dass diese Bedingungen am häufigsten in Flüssen auftreten, die natürlich vorkommende Feuchtgebiete entwässern, sowie in Flüssen, die einige städtische Gebiete entwässern, in denen menschliches Handeln hypoxische Bedingungen geschaffen hat.
„Wir Wasserbewirtschafter beeinflussen diese Bedingungen oft – indem wir beispielsweise Wasser entnehmen, Dämme bauen und die Menge organischer Stoffe erhöhen, die in Flüsse gelangen“, sagt sie. „Wir können diese Bedingungen mit sehr niedrigem Durchfluss einrichten. Flüsse, die von Feuchtgebieten und städtischen Gebieten umgeben sind, hatten ungefähr die gleiche Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Hypoxie. Das zeigt, dass es zwar natürlich vorkommen kann, wir aber auch diese Bedingungen schaffen können, die Hypoxie begünstigen.“
Blaszczak sagt, dass Hypoxie oft erst erkannt wird, wenn es zu spät ist.
„Sie werden in den Medien einen Bericht über ein Fischsterben sehen, das durch Hypoxie verursacht wurde – von sehr niedrigen Wasserständen aus Dämmen, einer Freisetzung von etwas in einen Fluss oder etwas anderem, das wir kontrollieren können“, sagt sie. „Wenn wir mehr Sensoren zur Überwachung der Bedingungen einsetzen können, können wir Frühwarnsignale erhalten und Maßnahmen ergreifen, um das Problem zu beheben, z. B. den Fluss auf irgendeine Weise modifizieren.“
Blaszczak sagt, dass neuere Sensortechnologie, die eine konstante Überwachung ermöglicht, auch wichtig ist, da die Dauer hypoxischer Zustände den Schaden beeinflusst, den sie verursachen könnten.
„Fische haben in einigen Fällen Vermeidungsstrategien. Wenn es also nur für ein paar Stunden ist, können sie versuchen, sich selbst zu kontrollieren, indem sie zum Beispiel näher an der Oberfläche bleiben“, sagt sie. „Aber wenn es länger dauert, haben sie es schwerer. Und es gibt noch andere Faktoren. Die Größe des Organismus kann seine Überlebensfähigkeit beeinflussen, und einige Organismen sind nicht so mobil, sodass sie sich nicht anpassen können, um zu überleben ein längeres hypoxisches Ereignis.“
Neben dem Schaden, den Hypoxie für Wasserlebewesen anrichten kann, kann sie auch die Produktion der Treibhausgase Methan und Lachgas anregen.
„Es gibt einfach nichts Gutes an Hypoxie in Flüssen oder anderen Gewässern“, sagt Blaszczak. „Wir können es nicht vollständig eliminieren, aber wir können es sicherlich besser überwachen und Maßnahmen ergreifen, um es zu verhindern, anstatt es zu fördern.“
Mit globaler Sicht
Positiver ist laut Blaszczak, dass die Untersuchung bei Betrachtung der Daten von 1950 bis 2018 gezeigt hat, dass es weltweit keinen allgemeinen Anstieg der hypoxischen Bedingungen in Flüssen zu geben scheint. An bestimmten Orten gibt es jedoch Erhöhungen. Und an manchen Orten sei die Präsenz extrem, sagt sie. Die Forscher stellten eine weltweite Karte zusammen, die in dem Forschungsartikel vorgestellt wird und die die Anzahl der von ihnen gefundenen Hypoxie-Vorkommen farblich nach Region codiert, wobei Blau seltene Vorkommen und Rot das höchste Vorkommen von Hypoxie ist.
„Sie werden sehen, dass Florida völlig rot ist, aus den Charts“, bemerkte Blaszczak.
Ein Großteil der USA befindet sich im gelben oder mittleren Bereich. Blaszczak sagt, dass aus den USA insgesamt viel mehr Daten verfügbar sind als aus anderen Ländern. Sie und ein Forscherteam stellten Daten aus staatlich unterstützten Arbeiten und anderen veröffentlichten Daten zusammen, um den Datensatz zu erstellen, der alle Kontinente außer der Antarktis umfasst, aber von Daten aus Nordamerika dominiert wird. Jeder Standort musste eine geografische Koordinate, mindestens eine Messung des gelösten Sauerstoffs, eine entsprechende Wassertemperatur und einen Datums-Zeit-Stempel haben. Blaszczak analysierte dann die Daten im Rahmen ihrer Forschung für die Abteilung für natürliche Ressourcen und Umweltwissenschaften und die Experimentstation ihres Colleges.
Sie begann mit der Leitung der Studie, nachdem sie im September 2018 an einem Workshop teilgenommen hatte, der in der Schweiz stattfand und von Jim Heffernan und Tom Battin von der Duke University einberufen wurde. Der Workshop zielte darauf ab, das globale Verständnis der Dynamik von Hypoxie in Flüssen und Bächen zu fördern und wurde vom Schweizerischen Nationalfonds und der US National Science Foundation unterstützt.
In Zukunft sagt Blaszczak, dass eine stärkere Überwachung mit neuerer Technologie der Schlüssel zur Minderung der schädlichen Auswirkungen von Hypoxie in Flüssen ist.
„Wir müssen unsere Kapazitäten weiterentwickeln, um zu erkennen, wann und wo Flüsse anfällig für die Entwicklung hypoxischer Bedingungen sind, damit wir die Flussbewirtschaftung angesichts anhaltender Klima- und Landnutzungsänderungen steuern können. Unterstützung der laufenden Überwachung und Ausweitung der Überwachung auf Regionen wo Daten spärlich sind, ist wichtig“, sagte sie.
Blaszczak dankt den Forschern und Regierungen, die die in der Studie verwendeten Daten zur Verfügung gestellt haben, sowie den Co-Autoren der Studie, darunter Lauren E. Koenig, Francine H. Mejia, Lluís Gómez-Gener, Christopher L. Dutton, Alice M. Carter, Nancy B. Grimm, Judson W. Harvey, Ashley M. Helton und Matthew J. Cohen.
Mehr Informationen:
Joanna R. Blaszczak et al, Ausmaß, Muster und Treiber von Hypoxie in den Bächen und Flüssen der Welt, Briefe über Limnologie und Ozeanographie (2022). DOI: 10.1002/lol2.10297