Klimawandel schwächt die Stickstoffreinigung im Baldeggersee im Winter

Der gesunde Menschenverstand legt nahe, dass ein wärmerer See aktiver sein müsste. Höhere Temperaturen beschleunigen Mikroben, die Schadstoffe abbauen.

Daher müsste sich ein See, der sich schneller erwärmt, theoretisch auch schneller selbst reinigen. Diese Annahme klingt plausibel – ist jedoch falsch.

Forschende, die einen Schweizer See beobachteten, stellten fest: Der Grossteil der wichtigen Reinigungsarbeit findet in den kalten Monaten statt, nicht im Sommer. Die Erwärmung dürfte ausgerechnet die Jahreszeit schwächen, in der der See den grössten Teil dieser Aufgabe erledigt.

Ein verborgenes Reinigungsteam

Bei der Belastung geht es um Stickstoff, der von landwirtschaftlichen Flächen und Stadtstrassen in den See gespült wird. Zu viel davon bringt Gewässersysteme aus dem Gleichgewicht. Seen wirken dem entgegen – unterstützt von Mikroben im Schlamm am Grund.

Diese Mikroben zerlegen gelösten Stickstoff und wandeln ihn in harmloses Stickstoffgas um, also jenes Gas, das den grössten Anteil der Luft ausmacht, die wir einatmen. Es steigt als Bläschen auf und verschwindet. Fachleute bezeichnen diesen Vorgang als Denitrifikation.

Dabei handelt es sich keineswegs um eine unbedeutende Leistung: Rund ein Fünftel des Stickstoffs, den Binnengewässer entfernen, wird über diesen einzigen Prozess abgebaut.

Der Umweltwissenschaftler Cameron M. Callbeck von der Universität Basel leitete das Projekt gemeinsam mit dem Schweizer Wasserforschungsinstitut Eawag.

Selbstreinigung im Baldeggersee

Als Untersuchungsgebiet wählte das Team den Baldeggersee, einen nährstoffreichen See mit einer Fläche von etwa 5,2 Quadratkilometern in der Zentralschweiz. Wie viele Seen in kühlen Klimazonen durchmischt er sich nur einmal jährlich vollständig – während der kalten Monate.

Während des überwiegenden Teils des Jahres ist das Wasser geschichtet: oben liegt warmes Wasser, darunter kaltes, und beide Schichten kommen kaum miteinander in Kontakt. Kühlt der Winter die Oberfläche ab, kippt der gesamte See um und vermischt sich.

Diese winterliche Durchmischung erwies sich als entscheidender Motor der Reinigung. In den Monaten mit starker Wasserbewegung entfernte der See Stickstoff fast 50 Prozent schneller als an den ruhigen Sommertagen. Die Hauptarbeit leistete der Winter.

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

Wie Studien zeigen, verschiebt die Erwärmung diesen jährlichen Rhythmus bereits aus seinem gewohnten Takt.

Mikroben als Team

Warum die Reinigungsleistung im Winter ihren Höchststand erreicht, war zunächst unklar. Den Anstieg zu messen war vergleichsweise einfach, ihn zu erklären deutlich schwieriger.

Das Team entdeckte jedoch eine wahrscheinliche Zusammenarbeit im Seeboden, die den Abbau antreibt.

Am Anfang steht Chitin, das widerstandsfähige Material in den Hüllen winziger Seetiere und in der Umhüllung abgestorbener Algen. Sinkt dieses Material ab, sammelt es sich am Seegrund und bildet einen Vorrat an kohlenstoffreichem Stoff.

Eine Bakteriengruppe scheint sich von Chitin zu ernähren und es abzubauen. Ihre Stoffwechselreste versorgen offenbar eine zweite Gruppe: jene Mikroben, die die Denitrifikation durchführen und den Stickstoffabbau abschliessen.

Eine solche Arbeitsteilung war zuvor noch nicht beschrieben worden.

Das Unsichtbare messen

Zu beobachten, wie Mikroben Stickstoff aus einem ganzen See entfernen, ist schwierig. Das von ihnen erzeugte Gas entweicht in die Atmosphäre und hinterlässt kaum etwas Messbares.

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

Indem die Forschenden erfassten, welcher Anteil zu Gas wurde, konnten sie die Reinigungsleistung unmittelbar bestimmen. Anschliessend entwickelten sie ein Computermodell des gesamten Sees, um zu prüfen, ob die kleinen Proben das Gesamtbild korrekt abbildeten.

Das war der Fall. Messwerte und Modell stimmten überein. Und beide zeigten immer wieder, dass der Winter die arbeitsreichste Zeit des Jahres ist.

Seen verlieren ihre Reinigungszeit

Mit einem funktionierenden Modell fragte das Team, welche Folgen eine heissere Zukunft hätte. Es berechnete ein Szenario mit über Jahrzehnte hohen Emissionen und untersuchte, wie sich die Jahreszeiten des Sees verlängern und verkürzen würden.

In diesem Zukunftsbild verkürzte sich das Zeitfenster der winterlichen Durchmischung um etwa 27 Tage. Fast ein Monat der wirksamsten Reinigungszeit des Sees wäre verloren.

Die Stickstoffentfernung ging um ungefähr ein Zehntel zurück. Das klingt nach wenig, wirkt sich aber im grossen Massstab aus.

Bei Tausenden von Seen, die sich jedes Jahr vollständig durchmischen, verändert bereits eine geringe Verkürzung der Reinigungszeit, wie viel Stickstoff im System verbleibt, statt flussabwärts weiterzutreiben.

Dieser Trend ist nicht nur theoretisch. Studien zeigen, dass Seen weltweit bereits wärmer werden und sich mit zunehmender Klimaerwärmung seltener durchmischen.

Die Folgen reichen flussabwärts

Stickstoff, den ein See nicht entfernt, löst sich nicht einfach in Luft auf. Er gelangt über Flüsse zur Küste und transportiert jene Belastung weiter, die der See eigentlich verringern sollte.

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

Solche sauerstoffarmen Gebiete prägen Küstenabschnitte nahe grosser Flussmündungen bereits heute. Lässt ein See mehr Stickstoff passieren, erhöht das den Druck und verbindet eine stille Veränderung in einem Schweizer See mit weit entfernten Meeresgewässern.

Was als Nächstes untersucht wird

Schon vor dieser Arbeit war bekannt, dass Seen Stickstoff aus dem Wasser entfernen. Doch niemand hatte diese Leistung so eindeutig an eine einzelne Jahreszeit gebunden.

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

Dadurch verändert sich auch, worauf Forschende achten können. Wasserverantwortliche können die Dauer der winterlichen Durchmischung als schützenswerte Kennzahl behandeln, und globale Stickstoffmodelle können einen Rhythmus berücksichtigen, der ihnen bislang entgangen war.

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

Falls dies zutrifft, könnte ein sich erwärmender See dem Klima schaden, während der Klimawandel zugleich seine Reinigungsleistung verringert. Ein Kreislauf, den es zu verstehen gilt.