Jinshui-Fluss: Wie Flüsse Stickstoffverschmutzung selbst reinigen

Wer einen Fluss lange genug beobachtet, könnte ihn irgendwann für ein simples Rohrsystem halten: Wasser fließt von oben nach unten. Doch so einfach funktioniert es nicht.

Während sie fließen, reinigen sich Flüsse fortlaufend selbst und entfernen unbemerkt überschüssigen Stickstoff, bevor dieser einen See oder die Küste erreicht.

Neue Untersuchungen an einem bewaldeten Fluss in Zentralchina zeigen, wie komplex diese Reinigungsarbeit ist. Sie wird durch ein wechselndes Zusammenspiel von Mikroorganismen, Wasserchemie, Höhenlage und der Nutzung des umliegenden Landes bestimmt.

Das Forschungsteam untersuchte den Jinshui-Fluss und konzentrierte sich auf zwei Wege, über die Flüsse Stickstoffverschmutzung abbauen. Der erste ist die Denitrifikation.

Der zweite, weniger bekannte Vorgang heißt Anammox, die Kurzform für anaerobe Ammoniumoxidation.

Die Selbstreinigung von Flüssen hat viele Einflussgrößen

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass sich die Stickstoffentfernung in Flüssen nicht durch einen einzelnen Umweltfaktor erklären lässt“, sagte der korrespondierende Autor Hao Jiang vom Botanischen Garten Wuhan.

„Die entscheidenden Steuergrößen verändern sich mit den Jahreszeiten. Deshalb muss ein wirksames Management von Wassereinzugsgebieten sowohl großräumige Landschaftsbedingungen als auch die mikroskopischen Prozesse in Flusssedimenten berücksichtigen.“

Überschüssiger Stickstoff gelangt etwa durch Düngerabfluss, Abwasser und Industrieabfälle in Flüsse.

Diese Belastung fördert Algenblüten, entzieht dem Wasser Sauerstoff und führt flussabwärts schleichend zum Verlust biologischer Vielfalt.

Bis zu einem gewissen Grad setzen sich Flüsse dagegen zur Wehr: Mikroorganismen wandeln den Stickstoff in ein unschädliches Gas um, das in die Atmosphäre entweicht, statt weiterhin Schäden anzurichten.

Den Jinshui-Fluss im Wechsel der Jahreszeiten verfolgen

Um diese Abläufe vor Ort zu erfassen, entnahmen die Forschenden an 18 Stellen entlang des Jinshui-Flusses Wasser- und Sedimentproben. Die Proben wurden jeweils einmal im Sommer und erneut im Winter genommen.

Das Einzugsgebiet umfasst rund 730 Quadratkilometer. Es erstreckt sich über große Höhenunterschiede, und in weiten Teilen seines Oberlaufs sind mehr als 95 Prozent der Fläche bewaldet.

Die Wissenschaftler kombinierten Fernerkundung mit einer Stickstoff-15-Isotopenverfolgung. Zusätzlich untersuchten sie Wasser und Sedimente auf ihre chemische Zusammensetzung sowie mikrobielle Gene, um die beteiligten Mikroorganismen zu bestimmen.

Die Denitrifikation erwies sich klar als wichtigster Prozess. Im Sommer entfielen auf sie ungefähr 90 Prozent der gesamten Stickstoffentfernung, im Winter 95 Prozent. In den wärmeren Monaten lief sie zudem deutlich schneller ab.

Anammox stand dagegen nie im Mittelpunkt, verschwand aber auch nicht: Der Prozess trug das ganze Jahr über still und beständig einen kleineren Anteil zur Stickstoffentfernung bei.

Im Sommer bestimmen Mikroorganismen den Prozess

An diesem Punkt wird die Studie besonders aufschlussreich. Welche Faktoren diese Prozesse tatsächlich steuern, hängt vollständig von der Jahreszeit ab.

Im Sommer war die Denitrifikation eng mit mikrobiellen Genen und den unmittelbaren Bedingungen im Sediment verknüpft, darunter Gesamtstickstoff, organischer Kohlenstoff, das Kohlenstoff-Stickstoff-Verhältnis und die Feuchtigkeit.

Die Wasserchemie spielte weiterhin eine Rolle, jedoch indirekt. Sie beeinflusste die Sedimentbedingungen, in denen die Mikroorganismen lebten, anstatt den Vorgang unmittelbar anzutreiben.

Für Anammox waren räumliche Faktoren, insbesondere Höhenlage und Landnutzung, wichtiger als die Bedingungen im direkt darunterliegenden Sediment.

Wälder schienen dabei förderlich zu sein. Ein höherer Waldanteil ging mit stärkerer Anammox-Aktivität einher, was nach Ansicht der Forschenden darauf zurückzuführen sein könnte, dass in bewaldeten Gebieten weniger organischer Kohlenstoff verfügbar ist.

Dadurch nahm die Konkurrenz durch denitrifizierende Mikroorganismen ab, sodass Anammox-Bakterien mehr Spielraum für ihre Arbeit hatten.

Der Winter verändert die Bedingungen grundlegend

Mit dem Winter ordnete sich das gesamte System neu. Die Wasserchemie wurde zum maßgeblichen Einfluss auf Denitrifikation und Anammox.

Besonders stark wirkten sich die Temperatur sowie die Konzentrationen von Ammonium und Nitrat im Wasser aus.

Kaltes Wasser verlangsamt die Mikroorganismen und verringert die Effizienz, mit der Stickstoff innerhalb des Sediments selbst wiederverwertet wird.

Weil dieser interne Kreislauf beeinträchtigt war, wurde das durchfließende Flusswasser zur wichtigsten Stickstoffquelle für diese mikrobiellen Prozesse. Im Sommer hatte es diese Funktion kaum übernehmen müssen.

Während der Sommermonate bestand außerdem eine enge Verbindung zwischen Nitrifikation und Denitrifikation, beinahe wie bei einem Staffellauf: Ein Prozess lieferte seine Nebenprodukte als Antrieb für den nächsten.

Im Winter wurde diese Übergabe wesentlich unzuverlässiger. Die Kälte bremste alle Abläufe und erschwerte den Transport chemischer Verbindungen zwischen verschiedenen Sedimentbereichen.

Warum sich die Selbstreinigung von Flüssen ständig wandelt

Aus größerer Perspektive betrifft die Erkenntnis nicht allein den Jinshui-Fluss. Wie ein Fluss mit Stickstoffverschmutzung umgeht, lässt sich weder durch die Landschaft noch durch die Mikroorganismen allein erklären.

Beide Aspekte sind nötig, und welcher davon stärker zählt, hängt vollständig von der jeweiligen Jahreszeit ab.

Die Forschenden gehen davon aus, dass ihre Arbeit umfassendere Modelle des globalen Stickstoffkreislaufs präzisieren könnte.

Zugleich könnte die Studie das Management von Wassereinzugsgebieten in Richtung saisonal angepasster Strategien lenken, statt anzunehmen, dass ein Fluss sich im Winter auf dieselbe Weise reinigt wie im Sommer.