Wie der Klimawandel die Selbstreinigung des Baldeggersees im Winter schwächt

Der Hausverstand legt nahe, dass in einem wärmeren See mehr passiert: Höhere Temperaturen beschleunigen die Arbeit jener Mikroben, die Schadstoffe abbauen.

Theoretisch müsste sich ein See also schneller reinigen, wenn er sich stärker erwärmt. Diese Annahme klingt plausibel, erweist sich aber als falsch.

Bei der Untersuchung eines Schweizer Sees stellte ein Forschungsteam fest, dass der Großteil der wichtigen Reinigungsarbeit in den kalten Monaten geleistet wird, nicht im Sommer. Ausgerechnet diese besonders wirksame Jahreszeit dürfte durch die Erwärmung beeinträchtigt werden.

Eine verborgene Reinigungstruppe

Bei der untersuchten Belastung handelt es sich um Stickstoff, der von landwirtschaftlichen Flächen und städtischen Straßen in den See gespült wird. Zu viel davon bringt Gewässersysteme aus dem Gleichgewicht. Seen wirken dem entgegen, wobei ihnen Mikroben im Schlamm am Grund helfen.

Diese Mikroben bauen gelösten Stickstoff ab und wandeln ihn in harmloses Stickstoffgas um – dasselbe Gas, aus dem der größte Teil unserer Atemluft besteht. Es steigt in Blasen auf und entweicht. Fachleute bezeichnen diesen Vorgang als Denitrifikation.

Die Leistung ist beträchtlich: Rund ein Fünftel des Stickstoffs, den Binnengewässer entfernen, wird durch diesen einen Prozess abgebaut.

Geleitet wurde das Projekt vom Umweltwissenschaftler Cameron M. Callbeck von der Universität Basel. Er arbeitete dabei mit dem Schweizer Wasserforschungsinstitut Eawag zusammen.

So reinigt sich der Baldeggersee selbst

Als Untersuchungsort wählte das Team den Baldeggersee in der Zentralschweiz, ein nährstoffreiches Gewässer mit einer Fläche von rund 5,2 Quadratkilometern. Wie viele Seen in kühleren Klimazonen durchmischt er sich nur einmal jährlich vom Grund bis zur Oberfläche: in den kalten Monaten.

Während des größten Teils des Jahres liegt das Wasser in Schichten übereinander. Oben ist es warm, unten kalt, und die beiden Bereiche kommen kaum miteinander in Berührung. Im Winter kühlt die Oberfläche ab, woraufhin der gesamte See umgewälzt und durchmischt wird.

Diese winterliche Durchmischung erwies sich als Antrieb der Reinigung. In den Monaten der Umwälzung entfernte der See Stickstoff um nahezu 50 Prozent schneller als an den ruhigen Sommertagen. Die Hauptarbeit fiel somit auf den Winter.

„Die Fähigkeit von Seen, Stickstoff aus dem Wasser zu entfernen, hängt stark von der Jahreszeit ab. Und das wird durch den Klimawandel verändert“, sagte Callbeck.

Untersuchungen zeigen, dass die Erwärmung den gewohnten zeitlichen Ablauf dieses jährlichen Rhythmus bereits verschiebt.

Mikroben arbeiten zusammen

Welcher Mechanismus hinter dem winterlichen Höhepunkt steckt, blieb unklar. Den Anstieg zu messen war einfach; ihn zu erklären, erwies sich als schwieriger.

Das Team fand dennoch Hinweise auf eine Zusammenarbeit im Schlamm, die den Reinigungsprozess vermutlich unterstützt.

Am Anfang steht Chitin, das widerstandsfähige Material in den Schalen winziger Seebewohner und in der Hülle abgestorbener Algen. Beim Absinken sammeln sich diese Reste am Seegrund und bilden dort einen Vorrat an kohlenstoffreichem Material.

Eine Bakteriengruppe scheint sich vom Chitin zu ernähren und es abzubauen. Ihre Rückstände dienen offenbar einer zweiten Gruppe als Nahrung: jenen Mikroben, die die Denitrifikation durchführen und die Entfernung des Stickstoffs abschließen.

Eine solche Zusammenarbeit war zuvor noch nicht beschrieben worden.

Das Unsichtbare messen

Es ist schwierig zu beobachten, wie Mikroben in einem ganzen See Stickstoff entfernen. Das dabei entstehende Gas entweicht in die Luft und hinterlässt kaum etwas, das sich messen lässt.

Das Team setzte eine markierte, nachverfolgbare Form von Stickstoff ein und verfolgte ihren Weg durch das Sediment.

Anhand des Anteils, der zu Gas wurde, konnten die Forschenden die Reinigung unmittelbar messen. Anschließend erstellten sie ein Computermodell des gesamten Sees, um zu überprüfen, ob ihre kleinen Proben mit dem Gesamtbild übereinstimmten.

Das war der Fall: Messungen und Modell passten zusammen. Zudem zeigten die Zahlen immer wieder, dass der Winter die arbeitsintensivste Zeit des Jahres ist.

Wenn Seen Reinigungszeit verlieren

Mit dem funktionierenden Modell untersuchte das Team, welche Folgen eine heißere Zukunft hätte. Es berechnete ein Szenario für den schlimmsten Fall, in dem die Emissionen über Jahrzehnte hoch bleiben, und beobachtete, wie sich die Jahreszeiten des Sees verlängerten oder verkürzten.

In diesem Zukunftsszenario verkürzte sich das Zeitfenster für die winterliche Durchmischung um etwa 27 Tage. Damit ginge nahezu ein Monat der besten Reinigungszeit des Sees verloren.

Die Stickstoffentfernung nahm um ungefähr ein Zehntel ab. Das klingt wenig, wirkt sich in größerem Maßstab aber aus.

Bei Tausenden Seen, die sich jährlich umwälzen, verändert eine geringfügig verkürzte Reinigungssaison, wie viel Stickstoff zurückbleibt, statt flussabwärts zu entweichen.

Die Entwicklung ist keine bloße Annahme. Studien zeigen, dass sich Seen weltweit bereits erwärmen und seltener durchmischen, während sich das Klima stetig aufheizt.

Die Folgen reichen flussabwärts

Stickstoff, den der See nicht entfernt, verschwindet nicht einfach. Er gelangt über Flüsse in Richtung Küste und trägt jene Belastung weiter, die der See eigentlich verringern sollte.

Im Meer fördert der zusätzliche Stickstoff explosionsartige Algenblüten. Sterben die Algen ab und verrotten, entziehen sie dem Wasser Sauerstoff. Zurück bleiben sauerstoffarme Bereiche, sogenannte Todeszonen, in denen kaum etwas überlebt.

Solche sauerstoffarmen Gebiete beeinträchtigen bereits Küsten nahe großer Flussmündungen. Wenn ein See mehr Stickstoff durchlässt, erhöht das die Belastung und verbindet eine unscheinbare Veränderung in einem Schweizer See mit weit entfernten Meeresgewässern.

Wie es weitergeht

Schon vor dieser Arbeit war bekannt, dass Seen Stickstoff aus dem Wasser entfernen. Doch niemand hatte diese Leistung so eindeutig mit einer einzigen Jahreszeit verknüpft.

Nun gibt es klare Belege dafür, dass die winterliche Durchmischung den größten Teil davon ermöglicht – und dass die Erwärmung dieses Zeitfenster verkleinern wird.

Das verändert, worauf die Wissenschaft achten kann. Verantwortliche für die Gewässerbewirtschaftung können die Dauer der winterlichen Durchmischung als schützenswerte Messgröße betrachten. Globale Stickstoffmodelle wiederum können einen Rhythmus einbeziehen, der ihnen bisher entgangen ist.

Als Nächstes will das Team klären, ob dieselben Prozesse auch Lachgas freisetzen, ein starkes Treibhausgas, das mit Stickstoff verbunden ist.

Falls das zutrifft, könnte ein wärmerer See dem Klima schaden, während der Klimawandel zugleich seine Reinigungsleistung schwächt. Diesen Kreislauf gilt es zu verstehen.