Tierökologie 05 Gewässerökologie -...
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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
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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
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Blau hat die größte Transmission
5 m
15 m
30 m
60 m
75 m
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Temperatur
Winterstagnation Frühjahrszirkulation (homotherm)
Herbstzirkulation (homotherm)Sommerstagnation
Epilimnion
Metalimnion
Hypolimnion
Sprungschicht
Zweimaliger Wechsel von Zirkulation und Stagnation = dimiktisch1 Zirkulation erfasst den ganzen Wasserkörper = holomiktisch
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Temperatur Quellaustritt: niedrig, konstant
Temperatur gleicht
sich immer mehr der
mittleren Lufttemperatur an
Abnahme im Winter
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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
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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)
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trophogene Zone
tropholytische Zone
Fließgewässer: biogene O2-Produktion wichtig für Selbstreinigung
keine stabile O2-Schichtung, auch in größeren Strömen nie!
pH 11
pH 4
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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
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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
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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
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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
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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
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Secchi-Scheibe
Lichtdurchlässigkeit eines Gewässers
Nährstoffbelastung
Eutrophierungoligotrophnährstoffarm
eutrophnährstoffreich
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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
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Sekundärproduktion organische Substanz wird umgebaut !
Stoffwechsel körpereigene Substanz
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In beiden Nahrungsketten: Bakterien Destruenten
Remineralisierung
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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
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Benthal(Gewässer-Boden)
Pelagial(Freiwasserzone)
Seen
Pleustal (Grenzzone zw. Wasser und Luft)
Nekton
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Benthal(Gewässer-Boden)
Pelagial(Freiwasserzone)
Seen
Nekton
Benthos
LitoralbenthosProfundalbenthos
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Benthal(Gewässer-Boden)
Pelagial(Freiwasserzone)
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
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Hochgebirgsseen
Nährstoffarmuthohe SichttiefeO2 reichlich, bis ins HypolimnionChara, LaichkrautZooplankton, wenige Arten
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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
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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
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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
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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
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mäandrieren !
Altwasser
Totarm
AltarmVerbindung z. Fluss nur zeitweise
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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)
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Osmoregulation / Exkretion
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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
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katadromer Wanderfischlaicht im Meer
Weidenblattlarve
Glasaale
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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)
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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
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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
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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
TierökologieRoland Gerstmeier
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
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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
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Regenbogenforelle
Atlantischer Lachs
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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
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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
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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.
TierökologieRoland Gerstmeier
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.
TierökologieRoland Gerstmeier
Brachsen
Rotauge
Döbel, Aitel
Karpfen
"Verbuttung"wachsen langsam, bleiben klein,Fortpflanzung bereits bei geringerKörpergröße
TierökologieRoland Gerstmeier
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
TierökologieRoland Gerstmeier
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)
Zoologie - UmweltplanerRoland Gerstmeier
Gewässerveränderungen Verschmutzung• direkt: Landwirtschaft, Industrie, Haushalte• direkte Giftwirkung/Schädigung• indirekt: Anreicherung in Nahrungskette• Eutrophierung• Versauerung
Freizeitbetrieb• direkte Gewässerbeeinträchtigung• Zerstörung der Litoralzonen
Zoologie - UmweltplanerRoland Gerstmeier
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
Zoologie - UmweltplanerRoland Gerstmeier
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
TierökologieRoland Gerstmeier
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
TierökologieRoland Gerstmeier
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
TierökologieRoland Gerstmeier
** es wird nicht die Abundanzangegeben, sondern Häufigkeitsklassen!
TierökologieRoland Gerstmeier
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