Saprobiensystem

Das Saprobiensystem (abgeleitet von gr. saprós = faul, bios = leben) ist ein System zur Ermittlung des biologischen Verschmutzungsgrades (Saprobie) von Fließgewässern und Einordnung in Gewässergüteklassen anhand des Saprobienindex. Dazu nutzt man die im Gewässer aufgefundenen Saprobier (verschiedene Arten von Protozoen, Kleinkrebsen und Insektenlarven) als Bioindikatoren.

Mit dem Saprobiensystem wird die Belastung eines Fließgewässers mit organischen, leicht abbaubaren, sauerstoffzehrenden Substanzen, z. B. aus häuslichen Abwässern, gemessen. Andere Gewässerbelastungen werden damit nicht indiziert. Dies sind z. B.: Belastungen mit toxisch wirkenden Stoffen (Schwermetalle, Pestizide), Belastung mit Nährsalzen (Trophie), Gewässerversauerung, thermische Belastung, Belastung durch strukturelle Degradation (Gewässerausbau und -begradigung) und durch Veränderung der Hydraulik (Niedrigwasserabsenkung und Austrocknungsphasen, verstärkte Hochwasserspitzen durch Kanalabschläge). Für einige dieser Belastungen wurden eigene Indikationssysteme aufgestellt, die zusätzlich zum Saprobiensystem verwendet werden können. Bei der Bewertung der Fließgewässer für die Europäische Wasserrahmenrichtlinie wurde ein erweitertes Bewertungssytem aufgestellt (genannt: Perlodes). Dieses enthält das Saprobiensystem als eines seiner Bewertungs-"Module".

Das Saprobiensystem ist zur Bewertung stehender Gewässer nicht anwendbar.

Grundlagen

Das Saprobiensystem beruht auf der Beobachtung, dass sich die Lebensgemeinschaft eines Gewässers mit der organischen Belastung in vorhersagbarer Weise ändert. Während manche Gewässerbewohner organischer Verschmutzung gegenüber insensitiv und robust sind, kommen andere nur in unverschmutzten oder gering verschmutzten Gewässern vor, wobei ihre Toleranzbereiche sehr unterschiedlich sind. Andere Arten werden in organisch verschmutzten Gewässern häufiger. Diese Beobachtungen sind aus der Biologie der Organismen erklärbar. So sind einige Arten und Artengruppen extrem sauerstoffbedürftig und gehen bei sinkendem Sauerstoffgehalt zugrunde. Andere Arten benötigen ein hohes Angebot an Nährsubstanzen (z.B. organisch angereicherten Schlamm), sie können unter Umständen aber sehr geringe Sauerstoffgehalte tolerieren. Das Vorkommen und die Häufigkeit solcher Gewässerbewohner, die stark auf organische Verschmutzung reagieren, können zur Messung dieser Verschmutzung herangezogen werden, wenn die Toleranzbereiche für die einzelnen Arten bekannt sind. Im Saprobiensystem wird dazu jeder Indikatorart ein Wert, der Indexwert, zugewiesen. Dieser ist aus der Beobachtung zahlreicher verschmutzter und unverschmutzter Gewässer empirisch hergeleitet (beruht also nicht etwa auf Labormessungen). Aus dem (nach der Häufigkeit des Vorkommens gewichteten) Mittelwert der Indexwerte aller dort lebenden Indikatorarten ergibt sich für eine untersuchte Probenstelle ein Zahlenwert, der sog. Saprobienindex. Die vorkommenden Arten werden also gewissermaßen als Meßinstrumente für die organische Belastung benutzt. Durch die Verwendung zahlreicher Indikatorarten ist die Messung im Idealfall sehr gut abgesichert.

Zur Ermittlung der Gewässergüteklasse wird der Saprobienindex der untersuchten Gewässerstrecke mit einer standardisierten Liste solcher Indices verglichen. So wird eine Einordnung des Fließgewässers in Gewässergüteklassen vorgenommen.

Das Saprobiensystem in der beschriebenen Form wurde vor gut hundert Jahren von Kolkwitz und Marsson^[1] erstmals aufgestellt und wird seitdem fortentwickelt und verfeinert. Wichtigstes Verfahren in Deutschland ist das DIN-Verfahren^[2][3]. Das Verfahren wird in Österreich und der Tschechischen Republik traditionellerweise in leicht abgewandelter Form angewandt (in Österreich: Önorm M6232, in Tschechien CSN 757716 und 757221). In den meisten anderen europäischen Ländern sind andere Bewertungsverfahren in Gebrauch. Seit Einführung des Bewertungsverfahrens zur Wasserrahmenrichtlinie der Europäischen Union (Perlodes) ist das Verfahren nun (als Bewertungsmodul) europaweit in Gebrauch. Weit verbreitet ist sonst z.B. das britische BMWT/ASPT-System. (Eine Übersicht gängiger Bewertungssysteme findet sich in^[4]).

Untersuchungsmethode

Zur Bestimmung des Saprobienindex ist (etwas vereinfacht) folgendes Vorgehen notwendig (nur Makrosaprobien):

• Auswahl der Probenstelle: Da eine flächendeckende Beprobung des Gewässers unmöglich wäre, sind repräsentative Probenstellen auszuwählen, an denen der Index bestimmt werden soll. Der hier ermittelte Index wird auf eine längere homogene Gewässerstrecke übertragen. Die Auswahl der richtigen Probenstellen hat auf die Relevanz der Ergebnisse gravierende Auswirkungen. Eine Probenstelle muss für die zu beurteilende Gewässerstrecke repräsentativ sein (also z.B. nicht die einzige Stromschnelle in einem träge fließenden Tieflandsbach). Ihre Lage zu bekannten Schmutzwassereinleitungen oder Einmündungen von Nebengewässern ist naturgemäß wesentlich. Für größere Gewässersysteme werden Probenstellen meist nach vorgegebenem Raster (z.B. anhand der Gewässerkilometrierung) ausgewählt.
• Sammeln der Gewässerorganismen. An der gewählten Probenstelle sind alle im Gewässer lebenden Organismen, die Indikatorarten sein könnten, aufzusammeln. Die Probennahme sollte die Gewässerstrecke möglichst repräsentativ abbilden. Da die meisten Indikatorarten im Gelände nicht mit hinreichender Sicherheit bestimmbar wären, sind die Organismen in der Regel abzutöten und zu konservieren, um später im Labor die Arten bestimmen zu können. Da für den Saprobienindex nicht nur die Präsenz, sondern die Häufigkeit der Arten bekannt sein muss, muss die Probennahme so erfolgen, dass diese ermittelt werden kann. Im Verfahren ist dabei die Einordnung in Häufigkeitsklassen ausreichend. Vor allem im Rahmen des Perlodes-Verfahrens werden aber auch quantitative Probennahmen durchgeführt, bei denen die absolute Häufigkeit (durch Zählen) ermittelt wird.
• Bestimmen der aufgesammelten Arten im Labor. Die meisten Saprobierarten sind nur unter Einsatz eines Mikroskops oder einer Stereolupe, manchmal nur nach Präparation, bestimmbar. Die Bestimmung vieler Arten ist schwierig und anspruchsvoll. Zur Anwendung für Laien sind verschiedene vereinfachte Verfahren im Gebrauch, die weniger Anforderungen an die Bestimmung stellen. Diese liefern ungenauere, aber meist in der Größenordnung durchaus brauchbare Ergebnisse.
• Auflisten der Indikatorarten der Probe mit ihrer Häufigkeit (als Abundanzklasse oder nach Zählung)
• Berechnung des Index

Makro- und Mikrosaprobien

Zur Bestimmung des Saprobienindex dienen, wie erwähnt, Listen von Indikatororganismen. Dabei sind im Rahmen des Verfahrens zwei Listen im Gebrauch. In einer Liste sind Mikroorganismen aufgeführt. Dabei handelt es sich um kleine, häufig einzellige Tierarten, z.B. Wimpertierchen (Ciliaten) oder Geißeltierchen (Flagellaten). In der anderen Liste sind makroskopisch erkennbare, bodenlebende Wirbellose, z.B. Insektenlarven (wie Steinfliegenlarven, Eintagsfliegenlarven, Köcherfliegenlarven), Krebstiere (wie Asseln und Flohkrebse), Schnecken, Muscheln, Egel und einige Würmer, aufgeführt; diese werden als Makrozoobenthos zusammengefasst. In der derzeit geltenden Fassung des DIN-Verfahrens sind etwa 200 Mikrosaprobien und mehr als 600 Makrosaprobien aufgeführt. Der Saprobienindex ist dabei für Mikro- und Makrosaprobien getrennt aufzustellen, beide dürfen nicht gemittelt oder miteinander verrechnet werden. In der Praxis ist der wichtigere Wert derjenige für die Makrosaprobien. Der Wert für die Mikrosaprobien ist besonders bei organisch sehr stark verschmutzten Gewässern wichtig, weil in diesen nur sehr wenige Arten von Makrosaprobien leben und das Ergebnis damit sehr schlecht abgesichert ist.

Organismen des freien Wasserkörpers (Pelagial) werden weder für den Makro- noch für den Mikroindex herangezogen. Dies gilt z.B. auch für die Fischarten.

Güteklasse

Nach den Ergebnissen des Saprobiensystems werden die Gewässer in sieben Gewässergüteklassen eingeteilt, jeweils für einen bestimmten Wertebereich des Saprobienindex. Die ursprünglich vier Güteklassen wurden dabei durch das Einfügen von drei Zwischenklassen auf sieben erhöht, um eine feinere Differenzierung zu ermöglichen

• Gewässergüteklasse I: unbelastet bis sehr gering belastet. oligosaprobe Zone
• Gewässergüteklasse I-II: gering belastet
• Gewässergüteklasse II: mäßig belastet. β-mesosaprobe Zone
• Gewässergüteklasse II-III: kritisch belastet
• Gewässergüteklasse III: stark verschmutzt. α-mesosaprobe Zone
• Gewässergüteklasse III-IV: sehr stark verschmutzt
• Gewässergüteklasse IV: übermäßig verschmutzt. polysaprobe Zone

Vor allem in Österreich und der Tschechischen Republik wird noch eine xenosaprobe Zone (mit eigener Fauna) unterschieden. Diese umfasst Gewässer vollkommen ohne Belastung, wäre also oberhalb der oligosaproben Zone anzuschließen. Manchmal wird dafür auch die Bezeichnung "katharob" verwendet (katharob wäre definitionsgemäß Saprobie Null. Das wäre im Rahmen des Verfahrens nicht messbar).

Im tschechischen Verfahren wurden (aufgrund der damals üblichen extrem hohen Gewässerbelastungen) noch weitere Stufen angefügt, die schlechter als der polysaprobe Zustand sind^[5]. Dieser "eusaprobe" Bereich gilt für mehr oder weniger unverdünnte Abwässer. In aufsteigender Folge wären eine isosaprobe, metasaprobe, hypersaprobe und ultrasaprobe Stufe anzufügen. Diese Bereiche unterscheiden sich nur noch in ihrer Mikrobesiedlung (im ultrasaproben Bereich wäre kein Leben mehr möglich) und werden vom gängigen Saprobiensystem nicht erfasst.

Saprobienindex

Zur Berechnung des Saprobienindex wird nach folgender Regel verfahren:

Jeder in einer Probe gefundenen Indikatorart wird eine Häufigkeitsstufe, die sog. Abundanz (A), zugeordnet. Sie reicht von (A) = 1 (Einzelfund) bis (A) = 7 (massenhaft vorkommend) (Bei absoluten Zählwerten werden die Werte in Häufigkeitsklassen umgerechnet).

Der Saprobienwert (s) ist eine Zahl zwischen 1 und 4, wobei z. B. s = 1,0 einen Indikatororganismus für Oligosaprobie, s = 4,0 einen Indikatororganismus für Polysaprobie kennzeichnet. Der Wert wird mit einer Nachkommastelle angegeben. Er ist aus der Liste der Indikatororganismen abzulesen.

Das Indikationsgewicht (g) kann den Wert 1,2,4,8 oder 16 annehmen, wobei ein Organismus mit höherem g eine kleinere Toleranz aufweist und somit für die betreffende Güteklasse einen umso spezifischeren Indikator darstellt. Im Saprobiensystem finden nur Organismen mit einem Indikationsgewicht von 4 oder höher Verwendung.

Aus den Zahlen für alle in der Probe gefundenen Indikatororganismen wird der Saprobienindex nach folgender Formel berechnet:

$S = \frac{\sum_{i=1}^n A\cdot s\cdot g}{\sum_{i=1}^n A\cdot g}$

Die so errechnete Indexzahl wird auf zwei Dezimalen nach dem Komma angegeben. Tatsächlich muss die Zuverlässigkeit ihrer Aussage aber mit den Methoden der mathematischen Statistik im Einzelfall ermittelt werden. Sie hängt stark vom Probenumfang und der Zahl der gefundenen Indikatorarten ab. Nach der Verfahrensvorschrift ist der Saprobienindex nur gültig, wenn die Abundanzsumme aller Indikatororganismen aufaddiert wenigstens den Wert 20 erreicht. Damit sollen sehr dünn besiedelte oder artenarme Probestellen ausgeschlossen werden, weil der hier ermittelte Index zu unsicher wäre. Außerdem deutet ein so niedriger Abundanzwert in der Regel auf das Vorhandensein anderer, nicht-saprobieller Belastungsfaktoren hin, die das Ergebnis verzerren könnten.

Chemische Korrelate

Die Saprobität wird mit allen Vorgängen in Zusammenhang gebracht, die im Wasser vorhandenen Sauerstoff verbrauchen. Maßstäbe für den Gesamtsauerstoffverbrauch sind der

• Chemische Sauerstoffbedarf (CSB), der durch Oxidation mit Kaliumdichromat bestimmt wird, und der
• Biochemischer Sauerstoffbedarf (BSB), der bestimmt wird, indem man in einer Wasserprobe die Abnahme des Sauerstoffgehalts in 2 bzw. 5 Tagen bei 20 °C im Dunkeln misst. Traditionell ist der für die Definition der Güteklassen herangezogene Belastungsindikator der BSB5. Kürzere Zeiträume finden nur bei hochbelasteten Proben Verwendung, in denen nach fünf Tagen überhaupt kein Sauerstoff mehr vorhanden wäre.

Ferner wird oft der organisch gebundene Kohlenstoff (TOC) als Maß der Belastung heran gezogen, vor allem weil dieser erheblich weniger aufwendig messbar ist als der BSB5.

Hinweise auf Belastungen des Wassers aus organischen Quellen lassen sich auch aus Messungen der Stickstoffverbindungen Ammonium, Nitrit und Nitrat oder aus dem Gesamt-Phosphor gewinnen. Diese düngenden (für Pflanzen als Makronährstoffe bedeutsamen) Elemente definieren die Trophie des Gewässers. Für den Saprobienindex direkt bedeutsam sind nur die Gehalte der reduzierten Stickstofffraktionen Ammonium und Nitrit, weil diese von Mikroorganismen (unter Sauerstoffverbrauch) zu Nitrat oxidiert werden können. Indirekte Zusammenhänge können sich aber häufig dadurch ergeben, dass in gut belichteten Gewässern erhöhte Nährstoffgehalte zu starkem Pflanzenwachstum führen. Sterben diese Pflanzen später ab, führt die gebildete Biomasse (durch den Sauerstoffverbrauch) zu erhöhter Saprobie. Dieses Phänomen wird "sekundäre Verschmutzung" genannt und tritt besonders markant in aufgestauten Flussabschnitten auf.

Die chemischen Parameter sind schneller oder aktueller zu messen als der Saprobienindex. Sie stellen aber ein momentanes Bild der Belastung dar, während der biologisch bestimmte Index eine über längere Zeit entstandene und somit gemittelte Aussage über die Belastung ergibt.

Einzelnachweise

1. ↑ Kolkwitz, R. & Marsson, M. (1902): Grundsätze für die biologische Beurteilung des Wassers nach seiner Flora und Fauna. Mitteilungen der königlichen Prüfanstalt für Wasserversorgung und Abwasserbeseitigung 1: 33-72 (Berlin-Dahlem)
2. ↑ DIN 38410. Deutsche Einheitsverfahren zur Wasser-, Abwasser- und Schlammuntersuchung - Biologisch-ökologische Gewässeruntersuchung (Gruppe M) - Teil 1: Bestimmung des Saprobienindex in Fließgewässern (M 1) (2004)
3. ↑ DIN 38410 Validierungsdokument [1]
4. ↑ Rolauffs, P. et al.: Entwicklung eines leitbildorientierten Saprobienindexes für die biologische Fließgewässerbewertung. Umweltforschungsplan des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit Forschungsbericht 200 24 227. veröffentlicht als UBA Texte 11/03 [2]
5. ↑ Sladecek, Vladimir (1973): System of water quality from the biological point of view. Ergebnisse der Limnologie 7 ISBN 978-3-510-47005-1

Weblinks

• www.wasser-wissen.de – Wasser-Wissen-Lexikon für Wasser und Abwasser: Saprobiensystem
• Geografisches Institut des Universität Kiel (PDF; 551 kB)